翻译.pdf

长沙理工大学毕业设计 I 目录目录 伊利诺伊州的地震桥标准化设计伊利诺伊州的地震桥标准化设计.1 简介简介简介简介.1 目标目标目标目标.1 计划计划计划计划.1 抗震系统抗震系统抗震系统抗震系统.2 一般情况.2 适用范围.3 1 级地震冗余.3 2 级地震冗余.5 3 级地震冗余.5 简化的分析和设计方法简化的分析和设计方法简化的分析和设计方法简化的分析和设计方法.8 鸣谢鸣谢鸣谢鸣谢.9 参考文献参考文献参考文献参考文献.10 长沙理工大学毕业设计 1 伊利诺伊州的地震桥标准化设计伊利诺伊州的地震桥标准化设计 简介简介简介简介 美国国家公路和运输官员协会(AASHTO)，在结合国家合作公路研究计划 (NCHRP)目前正在制定新的高速公路桥梁抗震设计准则的过程. 作为 AASHTO 抗震技术委员会的成员(T-3)，伊利诺伊州在这个过程中发挥咨询作用. 将是一个 新的指导方针的重要方面，这是明显高于那些指定在当前的设计加速度 AASHTO LRFD 桥梁设计规范以及标准规格公路桥梁. 将是一个新的指导方针 的重要方面设计加速度显着， 部分原因是预期的提高加速度，伊利诺伊州在规范 的新桥梁的抗震设计连同现有的结构改造项目走上了简化。 经济体制的改善和衡 量无障碍平均伊利诺伊桥梁设计师的抗震设计方法他们还是有点陌生 ， 这方 面的努力是其他的主要驱动力 目标目标目标目标 伊利诺伊州运输（IDOT）的首要目标部门在设计或改造的桥梁能够抵御地 震荷载防止跨度损失。然而，对于损坏的桥梁来说，相当于丧失生命过程中一个 重要的或中度的地震事件可能是在地震中的重要预期和明确的设计。 在地震中损 坏的津贴， 主要是由于经济因素和实用性。实现防止生命损失或跨度和经济的实 际情况之间的平衡是一个 IDOT 的指导原则。 计划计划计划计划 地震荷载的简单哲学是 IDOT 正在制定拟议的战略计划的框架， 在不久的将 来， 在伊利诺伊打算如何设计新的以及改造现有桥梁得到实现。在固有的一些主 题上包括一般的抗震系统（ERS）述拟议战略框架的简化，标准化和经济化。 具 体取决于不同的桥型。AASHTO 标准规格为在建在伊利诺斯州的公路桥梁的抗 震规定的不适合在“系统”的意义上典型的桥梁。然而，AASHTO LRFD 桥梁设计 长沙理工大学毕业设计 2 规范，以及最近的指引建议，考虑到促进伊利诺伊州的 ERS 战略中的概念和想 法，没有提供很多细节。考虑到这一点，ERS 框架在伊利诺伊州的基本上是一个 新的现有的抗震设计方法， 这应该是一个适合大多数国家在结构合理的发展方面 的混合动力车。ERS 概述提出了一种伊利诺伊州在其目前的发展状况的计划建 议。该计划非常适合目前的 500 年的设计重现期地震以及 1000 年设计的回报周 期地震预计将在 2008 年通过 AASHTO。在此关头，IDOT 正在考虑的地震荷载 的 1000 年事件将在 2006 年底或 2007 年初逐步到来。 抗震系统抗震系统抗震系统抗震系统 一般情况 这 IDOT 地震桥梁设计开发的基本理念是发生地震期间允许一定程度的损 坏或其他因素的产生，将不会造成在计划结构中的位置跨度的损失。优化，用术 语来说就是“抗震结构冗余的水平”， 是指在桥梁的关键部位在地震当中能够消散 的能量，改变结构的响应的能力。最低水平的冗余量是桥梁的“最薄弱的环节” 或“最低电流保险丝”， 而连续的水平更强的链接或保险丝不一定需要承受地震的 全部能量。 地震发生的时候，首先损坏或者破坏的位置都是发生在桥梁的上部结 构和基础的连接处。 这些连接处的失败之处就是在设计的时候没有充分考虑到地 震荷载的影响。一旦“保险丝被烧断” ，在纵向和横向约束桥梁变形的设计强度 要足够大，以防止主梁的掉落。充足的系梁宽度是地震冗余 IDOT 的 ERS 战略 计划中的第二层。 上部结构一旦遭到破坏并脱离支撑他的支座，在桥梁的基本周 期， 将十有八九通过摩擦力将横向荷载传递给下部结构。设计的时候应该考虑通 过摩擦传传递给下部结构的地震能量应小于支座的弹性变形能力。 在结构使用期 间，要求下部结构和基础必须具有抵抗上部结构发生塑性变形的能力。 桥梁的结构及其基础的抗震设计包括地震冗余 IDOT 一般 ERS 框架的第三 层。 这种设计的安全系数要比前两种都要高。 一般来说， 在地震事故发生的时候， 能够抵挡上部结构发生的塑性变形的能力的下部结构和基础是最优的。然而， 在 伊利诺斯州， 也有一些没有充分考虑抗震设计的一些典型的桥梁，这些不足之处 对于伊利诺斯州的 ERS 计划有所帮助。 长沙理工大学毕业设计 3 由于上部结构和基础没必要承担地震荷载的全部能量， IDIOT 可能会加强 因素和 R 因素的协调性，也会更加依赖于桥梁结构的改良。这种增长将导致 因素或者 R 因素可能会比现行的 AASHTO 规范适用范围更加广泛。比起一些潜 力巨大但是非常复杂的设计来说，这种消散地震能量的建议要更加的简单和直 接。 适用范围 IDOT 的发展 ERS 战略或计划， 可以假设第一振动模式是占主导地位的回应 地震荷载设计的桥梁通常被用于伊利诺伊州的典型。可以预见，这种类型的桥梁 将会在伊利诺伊州目前要修建的或者将来修建的桥梁中将得到更多的使用。然 而，在遵循伊利诺伊州的 ERS 计划的大前提下，仍然应该遵循那些 AASHTO 规 范定义的不典型或不规则目前的桥梁。 这些桥梁通常需要多模态分析和设计技术 的处理。 在伊利诺伊州的高烈度地震区的主要桥梁的通常设计地震的重现期为 2500 年。正因为如此，在他们的规划和设计中要按照最高标准的地震影响设计，这同 时也超出了所提出的伊利诺伊 ERS 计划的范围。 1 级地震冗余 本节将介绍 1 级地震冗余设计在伊利诺伊 ERS 战略中的概念。本节就上部 结构和下部结构的几个典型的联结方式除将要提及的简单的设计方法综述之外 的问题做讨论。500 或 1000 年的设计重现期地震，目前规划连接方向 （包括侧 固) 只设计名义上规定的上层建筑自重的 20%，在支持的抗震性能类别 （SPC） A到 c。SPC D、 提议百分比是 30%。名义上在这里的意思是实际连接的强度 要低于规定值，如图 1 所示。它提出了一个典型的橡胶支座为 I 型梁钢连接的详 细信息， 并在伊利诺伊州的侧面固定上面得到了应用。在这种只有剪力的位置安 装的这种锚定螺栓， 同时也能够承受剪力和张力的组合作用。在发生中度地震的 时候， 底板连接到工字钢底部横向负载的侧固定锚杆实际上会受到剪和撬力大幅 度拉伸，这取决于精确的几何形状的侧面固定强度。对于较小的地震、 或典型 的风荷载，这些连接旨在保持弹性。 图 2 所示是在伊利诺伊州的一个典型的侧面固定设计。 这些固定器的支柱 的设计， 承受的周围的幅度横向荷载跟加载的锚定螺栓的效果是差不多的。结合 长沙理工大学毕业设计 4 橡胶支座上的钢上层建筑桥梁使用固定轴承采用枢轴固定性， 仅在地震中占主导 地位的纯剪水平荷载。 它计划的枢轴设计与强度折减系数， 1.0 起着一个保险丝 的作用。 图 1 典型的弹性轴承和连接细节与侧面固定钢工字梁 长沙理工大学毕业设计 5 图 2 典型方钢和 PPC 工字梁的典型侧固定器设计（单位：mm） 2 级地震冗余 如上所述， 2 级地震冗余设计在伊利诺伊 ERS 战略中的概念是为上部构造在 横向和纵向的变形移位提供足够的支座宽度或长度。如表 1 所示，所需的支座 宽度类别将为 500 和 1000 年设计地震重现期。500 年的地震重现期使用现行的 AASHTO 规范计算， 而重现期为 1000 年的则坚决使用刚提出的 NCHRP12-49 的 project3计算。塔高 6.1 米（20 英尺）的假设与桥斜 30的表格相匹配。 根据公路桥梁设计规范（标准法） ，仅需提供在纵向方向的最小宽度。然而， 实施伊利诺斯 ERS 计划，在发生地震的时候，一旦轴承和连接处失效，最小间 隙也需要上部结构在横向具有足够的空间。 由于添加的约束加强了上部结构的刚 度， 所以进行一般的设计的时候需要在支座的布置时，纵向和横向采用一样的尺 寸。 需要注意的是， 所需的支座的间距 N 是表 1 根据 AASHTO 的 LRFD 确定的， 而不是现行的照本宣科的 AASHTO 规范确定的梁的端部（或侧面） 。 与过去的方法相比较，伊利诺伊州的 ERS 计划中的扩大支座宽度在桥梁抗 震的加固改造与安装轴承连接是一个重大的政策变化。 表 1支座宽度 N 为 500 和 1000 年一遇的地震设计 长沙理工大学毕业设计 6 3 级地震冗余 IDOT的ERS计划中的3级地震冗余对于基础和地基连接的设计方法到目前 为止，还在开发当中。这个概念正在不断的完善，预计 2006 年夏天将发展成为 一个具体的政策。本节就这一发展阶段提出了一个主要思想和概念的简要概述。 还详细介绍了一些典型地震。 按照 IDOT ERS 的概念和典型结构的说法， 假设涉及到 3 级冗余的基 础和下部结构，可以概括如下：在地震期间，一旦第一和第二级地震冗余达到饱 和，第三级应该有能力承受很大一部分，但不是全部，原来的地震能量传送到桥 梁本身。因此，在第三层的冗余当中， “电流”的强度要大于前面两层的。上面 讨论的大部分的潜在的地震能量耗散在上部结构脱离基础的时候。 然而，由于摩 擦力的存在， 地震能量从上部结构传递给基础的时候已经剩余不多了。 一般来说， 地震发生的时候， 上部结构和下部结构的连接处会有不同程度的摩擦，或者相反 的是连接处直接断开或损坏。 该隔离级别取决于特定的组合连接，上部结构等类 型， 仅用于在一些特定的桥。地震能量传递的范围对于基础和下部结构这些独立 的结构来说影响不大几乎接近于 0，对于整个桥梁结构来说，作用的范围及桥梁 承受的能量几乎是完整的 100%。最典型的伊利诺斯桥介于这些极端之间。 IDOT 的 ERS 概念设计的目的在于， 伊利诺斯州的典型桥梁的一般分类以及 量化的隔离级别能够对明确刚性和柔性的基础的设计有所帮助。 为了贯彻实施这 一概念，IDOT 目前正在考虑不同更高强度的组合或伊利诺斯的常见但是有特点 的桥梁的因子结合与改性因子的组合。例如，桥梁上部结构类型设计比较合理 的状态下，比下部结构和基础承受的荷载要小一些，因此，比起那些独立的结构 来说，/或改性因子的类型组合的可行性很大。 如上所述， 这种结构类型在伊利诺斯建成的桥梁当中很常见，未必会被视为 最佳抗震结构的性能和设计。政策决定这些桥梁类型是 IDOT 的 ERS 战略 3 级 冗余的构想的另一个主要方面。 例如， 桥梁的桩排架墩在伊利诺斯建的就很整齐。 IDOT 更加倾向于这些墩式结构的薄弱环节要高出地面。然而，出于经济或水压 力的考虑，或分离轴承可以辅助桥梁规划作为一种替代，这也许是必要的。在伊 利诺斯的 ERS 的构想中，安装分离轴承可能是唯一可供选择的规划设计。修改 其他类型的基础的标准细节在伊利诺斯的 ERS 计划的 3 级水平上也处在发展当 长沙理工大学毕业设计 7 中。在一些情况下，这些修改作用不大。例如，标准的剪切箍筋间距和方向在梯 形柱上的布置形式有所不足。 一般弯曲与梯形如图 3 所示。这些标准化的抗震设 计列将有助于减轻螺纹钢筋钢在塔柱底部布置的“拥挤”问题。另一个详细的例 子，这是唯一想要表达的观念，具体如图 4 所示。如图所示，IDOT 的钻轴设计 应该只需要对钢筋笼周围的塑性铰附近地区的轴承支柱的过渡和帽梁做一些一 些小的修改（从左至右所示） 。读者应注意，在实际加固当中，混凝土盖和其他 的细节仍在不停发展。 图 3伊利诺斯的通用梯形柱排架 图 4 考虑地震荷载的钻孔墩细节需要修改 长沙理工大学毕业设计 8 简化的分析和设计方法简化的分析和设计方法简化的分析和设计方法简化的分析和设计方法 实施的时候，最终形成的伊利诺斯的 ERS 战略将主要记录在 IDOT 的桥梁 手册上面,这是 IDOT 与其设计师的主要沟通工具。IDOT 的桥梁手册上的政策， 程序和标准， 详细解释了桥梁的设计与施工方面的所有细节。包括结构设计计算 实例在内的设计手册也会发表补充手册。 这些指南有助于促进 IDOT 的首选施工 方法以及提供规范相关问题的说明。这份设计指南非常重视方法的简便，对于动 态分析和抗震设计的典型的伊利诺斯桥型是 IDOT 的 ERS 计划发行的第一部桥 梁手册。是 IDOT 的观点就是，没有必要对伊利诺斯最典型的结构进行非常复杂 的抗震分析和设计技术， 并且通过对一些简单桥梁进行统一的可靠性设计也能达 到一个很高的高度。 图 5 所示的是一个简单的结构模型。 这是一个简单的可以用来方便地计算结 构周期和整体基础剪力要求的两跨桥的设计。在桥梁计算当中，可以直接用一个 刚性的弹簧代替实际的下部结构和基础部分进行计算。 图 5 所示的模型也可以扩 展到 6 跨的结构， 对于对称的桥型各跨的情况是相同的，没必要