抗10-典尚设计

第10 章 钢制桥墩的地震时保有水平抗力和容许塑性率的计算10.1 一般规定 充填混凝土的钢制桥墩的地震时保有水平抗力和容许塑性率，按照10.2节的规定计算。 未充填混凝土的钢制桥墩，按照10.3节规定的结构细节取能够确保所需韧性的结构。此外，可进行第6章规定的动态解析，判断其抗震性。 对于地震后的永久位移，按照5.2节的规定进行校核。解说 至今为止，尚未有钢制桥墩震害的经验，但鉴于1995年兵库县南部地震的受灾情况，以地震时保有水平抗力法为基础规定了设计方法。设计的目的是防止象桥墩崩塌这样的破坏，而桥墩崩塌是由于水平方向的地震力，引起加筋板和钢管的压曲、裂缝使上部结构的静载失去了垂直方向的抗力。 在此，按钢制桥墩是否充填混凝土分别如、项规定。 通过在内部适当充填混凝土可提高钢制桥墩的地震时保有水平抗力和变形性能。此时的地震时保有水平抗力及容许塑性率是按照钢筋混凝土桥墩，根据10.2节的规定算出的。但充填混凝土的钢制桥墩在采用地震系数法进行抗震设计时要注意以下几点： 1) 采用地震系数法进行抗震设计时，基本上要作为忽略充填混凝土的效果的钢制桥墩来进行设计。但在设计组合柱，考虑钢断面和混凝土断面的组合效果时，不受上述限制。此时不采用小的易发生变形的断面，同时要考虑柱头螺栓和隔板等的组合结构的结构细节及混凝土的填充性能等。 2) 要是在柱子中间高度改变板厚，当板厚变位的部位受到水平地震力时，容易产生局部压曲。如果改变板厚没有显著的经济效果时，以相等板厚的等断面来设计，可以降低混凝土的填充高度，有时也是有利的。因此，以断面一定为主在改变板厚的情况下，原则上柱子的断面变化部分的应力应当留有余地。 关于未充填混凝土的钢制桥墩的地震时保有水平抗力及容许塑性率的定量评价方法，至今尚未进行调查研究。但是，从建设省土木研究所的实验，对于采用怎样的结构细节才能够提高它们（保有水平抗力及容许塑性率：译者）已得到某种程度的真知灼见，所以，决定采用这些实验确认的结构细节。 另外，未充填混凝土的钢制桥墩，与钢筋混凝土桥墩比较，在受到较大地震力作用时，其反应及抵抗机理、韧性的评价等，大部分尚未明确。因此，现在很难规定出钢筋混凝土桥墩具有同样可信度的按照地震时保有水平抗力法进行的抗震设计方法，可以认为采用动态解析，能够更恰当地评价实际行为。因此以考虑了反复影响的水平载重试验结果为基础，考虑钢制桥墩的非弹性区域的抵抗机理，通过动态解析，来判断抗震性能是可以的。 关于充填混凝土的钢制桥墩的永久变形，采用5.2节中规定的式(5.2.4)，可以算出屈服刚度与屈服后的二次刚度之比r为0.05，永久变形修正系数CR为0.35。此时对反应塑性率R，采用在式(5.2.5)中得出的值乘以Pa/Py后的值，关于Py、Pa及y，采用按照10.2.1节规定计算得出的数值。关于未充填混凝土的钢制桥墩的永久变形，可采用第6章中对三波形的输入地震动的动态解析结果的平均值进行校核。10.2 充填混凝土的钢制桥墩10.2.1 地震时保有水平抗力及容许塑性率 地震时保有水平抗力及容许塑性率，对于轴向力，只在钢断面有阻力，对于弯矩及剪切力，充填混凝土的钢制桥墩没有张拉阻力，可将钢断面看做是钢筋，作为钢筋混凝土结构通过式(10.2.1)和式(10.2.2)计算得出。 (10.2.1) (10.2.2)其中，Pa：填充混凝土的钢制桥墩地震时的保有水平抗力(tf)Pu：填充混凝土的钢制桥墩极限水平抗力(tf)Py：填充混凝土的钢制桥墩屈服水平抗力(tf)：表-10.2.1所示安全系数a：填充混凝土的钢制桥墩的容许塑性率u：填充混凝土的钢制桥墩极限位移(m)y：填充混凝土的钢制桥墩屈服位移(m)表-10.2.1 计算地震时保有水平抗力的安全系数桥的类别针对I类地震动计算容许塑性率所采用的安全系数针对II类地震动计算容许塑性率所采用的安全系数B型桥3.01.5A型桥2.41.2解说 根据建设省土木研究所的荷载实验，已经确认充填混凝土的单悬臂梁式的钢制桥墩，受到水平力的作用时产生的水平位移，与看作仅以钢断面抵抗轴向力的作用，及作为忽略混凝土拉伸的钢筋混凝土断面抵抗弯矩时的理论值相一致。因此，对轴向力假定为钢断面，对弯矩假定为钢筋混凝土断面，按照钢筋混凝土桥墩来计算充填混凝土的钢制桥墩的地震时保有水平抗力。 按照钢筋混凝土桥墩计算地震时保有水平抗力及容许塑性率时，可按以下假设进行设计。 1) 将钢材视作具有等值断面的箍筋和轴向钢筋。 2) 图-解10.2.1为钢材的应力应变曲线模型，此时，极限变形，不论地震动为何种类型，均赋与同一值。拉伸侧和压缩侧钢材的极限变形均认为是5%。另外，当采用SM5%以上的高强钢时，必须慎重考虑极限变形的值。 3) 充填混凝土的钢制桥墩，由于具有箍筋功能的钢材量较多，对充填的混凝土可望有较大的约束力，为此混凝土应力应变曲线一般可按图-解10.2.2的模型那样给出。 以上的假定，是与试验结果较好的近似，不一定是理论值。这个假定只适用于充填了混凝土的钢断面部分的评价，而不适用于未填充混凝土的钢断面部分的评价。 关于式(10.2.2)的容许塑性率的，根据能量守恒定律对假定理想弹塑性模型基础上的弹性极限位移ym赋值（参照图-解10.2.3）。此外，按照不同类型地震动设定安全系数的思路，是试图与第9章中规定的钢筋混凝土桥墩的设计思路整合。 另外，经过反复的载重试验得到的可信度高的数据的情况及根据这些及数据能得到适宜的解析模型的情况可以据此计算。10.2.2 结构细节 充填在钢制桥墩内的混凝土，可以采用低强度混凝土。 混凝土的填充高度以在充填的混凝土的上部钢断面部分不产生压曲为原则。解说 充填混凝土是为了防止钢断面产生局部压曲及抑制产生局部压曲后的变形，为了填充部分的强度不要比钢断面显著地大宜使用低强度的混凝土（基准强度为160kgf/cm2）为好。 考虑到填充部分上方钢断面的屈服水平抗力或局部压曲，水平抗力的设定要超过桥墩基部的极限水平抗力。为此，一般以满足式（解10.2.1）来设定混凝土的填充高度为宜。 (解10.2.1)其中，Pys：考虑填充部分上方钢断面的屈服水平抗力或局部压曲的水平抗力（此外考虑局部压曲的水平抗力可按照对局部压曲的容许应力乘以安全系数1.7来计算的应力基础上算出）Pu：充填混凝土的钢制桥墩基部的极限水平抗力 填充混凝土上方的钢断面部分以外的地方，当钢板厚度有变化时，则按照式（解10.2.1）进行校核。另外，必要的填充高度超过从桥墩墩身基部至横梁底部的高度时混凝土只填充到横梁底部的高度为止。10.3 不充填混凝土的钢制桥墩 不充填混凝土的钢制桥墩的结构细节按照钢桥篇的3.2节以及12.3节的规定，与此同时在结构上必须能够防止脆性破坏，提高韧性。 以非线性，采用动态解析来表示钢制桥墩的弹塑性变化的若干数据。其确定原则为对有相同结构细节的试件进行反复的载重实验，在试验数据的基础上进行确定。解说 对于不充填混凝土的钢制桥墩，由于一旦成为图-解10.3.1所示的状态就会导致缺乏韧性的脆性破坏，其结构要能避免这种状态。 矩形断面桥墩 矩形断面桥墩的加劲板，其四角焊接部分往纵向开裂，造成加劲板分离，其结果状态是对上部结构的静载失去了垂直方向的抗力。 园形断面桥墩 最初，在局部发生压曲，其后发生的变形集中在该处，随之桥墩发生倾斜，伴随变形的发展，产生向园周方向的破裂的状态。 不充填混凝土的钢制桥墩，在1995年兵库县南部地震之后，就提高韧性的结构细节进行了调查研究。由于今后也可能提出改善韧性的有效结构，所以对抗震性能的判断原则是以重复的载重实验结果为基础。根据已有的调研成果，为防止脆性破坏、增加地震时保有水平抗力和容许塑性率，已阐明以下几点： 1) 为防止脆性破坏的结构细节（参照图-解10.3.2） 矩形断面桥墩，其结构应 (a) 在角部设边角板的加强结构（角加强结构） (b) 把角部做成圆弧状，无角部焊接 (c) 采用坡口焊，将角部焊接部分全断面焊透，或按照K坡口采用部分焊透的坡口焊（焊缝钝边为2mm左右），使用能保证板厚方向的机械性质的钢材。 (a)是把角部作为闭合断面，即使有相当大的变形也能保持角部的角度，以此防止角焊接破裂的结构。(b)是采取将角部焊接取消，防止角部开裂式破坏的结构。(c)是为确保角部焊接接头充分焊透，通过焊接接头防止从焊接部位开始的破坏，同时防止角部的钢板在板厚方向受到拉张力时被扯裂的结构。 圆形断面桥墩，其结构应 (d) 在桥墩主体的外周，距桥墩母材板厚1/2的间隙处绕立钢板 (e) 用纵肋加强钢管 (f) 限制钢管的径厚比（对板厚的半径的比率） (d)是在超过压曲变形的一定值就会与外侧的钢板接触，则压曲波形多级化，通过分散变形范围，防止变形集中的开裂的结构。(e)是通过纵肋防止灯笼屈曲，可防止变形集中的结构。(f)是通过从低控制钢管的径厚比，提高钢管的变形性能，防止因局部变形集中引起裂缝的结构。 2) 为提高韧性的结构细节 在1)节所示的结构中，矩形断面的(a)、圆形断面的(d)、(e)及(f)的结构，能够避免脆性破坏，同时可期望提高韧性，这点已通过建设省土木研究所的实验得到确认。而且，根据其它的调查研究确认，对于矩形断面，降低加劲板的宽厚比，同时提高加劲杆件的刚度，可期望提高韧性。 基于以上的调查研究成果，在钢桥篇3.2节及12.3节，对于有韧性要求的部位上采用的加劲板及钢管追加了关于屈曲参数的规定。而且该规定主要是规定了在适用矩形断面的(a)、圆形断面的(d)的结构细节场合下的为提高韧性的必要条件。例如采用(b)、(c)的结构细节时，为能确保所需的韧性对于屈曲参数有必要另做研究。 图-解10.3.3示出了满足上述1)、2)节性能的(a)角加强结构的结构细节。角加强杆件的各边占用宽度对总宽来说为25%以上，其宽厚比Rc以式（解10.3.1）为标准。 （解10.3.1）式中， bc：角加强杆件的板宽(cm)tc：角加强杆件的板厚(cm)y：钢材的标准屈服点(kgf/cm2)E：扬氏模量(kgf/cm2)：泊松比(=0.3)k：屈曲系数（两边支承板的场合为4.0） 对于图-解10.3.3的b部分，按照钢桥篇3.2节的加劲杆件的规定，除考虑角加强件的宽之外，基本上纵加筋杆件以等间隔配置来设计为宜。同时，对于加劲杆件的配置，可以认为是把b部分等分，但根据实验结果，与角部邻接的加劲杆件配置于角加强件的附近，在韧性方面确认为更有效，可取图所示结构。 此外，在矩形断面桥墩的基部充填以防止车辆冲突时变形为目的的填充混凝土时，发生在填充部位加劲板全部向外侧膨出的变形而产生角裂缝，有向钢空心断面部分发展的危险。因此要采取防止脆性破坏的对策，把填充混凝土充填至限制加劲板变形的隔板等的位置等措施，在混凝土填充部分也重复采用防止角裂缝的结构细节。 另一方面，对于圆形断面桥墩，在具有满足式（解10.3.2）条件的径厚比R/t的情况下，可认为能够防止脆性破坏。 (解10.3.2)其中，R：板厚中心的半径(cm)t：板厚(cm)y：钢材的标准屈服点(kgf/cm2)E：扬氏模量(kgf/cm2)：泊松比(=0.3) 作为避免脆性破坏、为提高韧性的结构细节，希望采用上述的结构细节，但在通过重复载重实验，确认了变形性能的情况下，可以适用其它的结构细节。 关于具有项解说所示结构细节的钢制桥墩的动态解析所用的容许位移，在重复载重实验得到的荷载位移曲线的基础上，以如下设定为标准。 对于类型I地震动的容许位移 考虑持续时间长、重复次数多的类型I的地震动的特性，设定以几乎不发生抗力降低范围的最大位移为标准。 对于类型II地震动的容许位移 考虑地震动的强度大、持续时间短、重复次数少的类型II地震动的特性，设定抗力降低小的范围的最大位移为标准。 这是对类型I及类型II的地震动希望能够得到与钢筋混凝土桥墩同等的安全性而设定的。作为参考，图-解10.3.4示出了在满足项的结构诸元的角加强结构的重复载重实验结果的基础上，动态解析所用的容许位移的设定例及恢复力模型的设定例。 具有项所示的结构细节的钢制桥墩的动态解析所用的恢复力模型，一般可作为有双线性型的滞变特性的模型。此时如图-解10.3.4所示，在角加强结构的情况下，对于类型I和类型II的地震动的容许位移可分别取4y、5y，极限水平抗力Pu则取1.4Py。同时，限制径厚比的圆形断面(f)的场合，对类型I和类型II的地震动的容许位移可分别取5y、6y，极限水平抗力Pu取1.4Py。 此外，根据迄今的实验结果，在桥墩的轴向力比和柱的长细比大的情况下，韧性较之上述数值有变小的倾向，所以有必要考虑其影响。10.4 锚固部位的抗震设计 设计锚固部位基本上要有与桥墩墩身的极限水平抗力同等以上的抗力。桥梁基部充填混凝土的场合要考虑其影响来算出抗力。解说 锚固部位是把作用于桥墩的轴向力、弯矩及剪力向基础传递的重要结构，对桥墩的抗震性有较大影响。考虑到锚固部位受到损伤时，其发现较困难，修补也是大规模的，所以以锚固部位尽量不留塑性变形为目标制定了条文。 锚固部位的结构，在根据地震系数法的设计中，一般适用2种设计法即(a)用锚栓和锚定框架抵抗压缩力及拉力的方式（桩方式）和(b)对压缩力用底板下面的基脚混凝土抵抗，对拉力以锚栓及锚定框架抵抗的方式（钢筋混凝土方式）（参照图-解10.4.1）。对于这些结构的锚固部位的极限水平抗力，可按照混凝土桥篇2.2.4节的混凝土应力应变曲线及钢筋的应力应变曲线，对于底板下面的基脚的混凝土断面，把周围的锚栓置换成钢筋，作为钢筋混凝土断面算出。锚固部位的极限水平抗力取锚栓屈服时或混凝土达到抗压强度时的抗力中值的小者。同时，对于锚栓用(a)方法设计的场合可用双筋模型化，用(b)方法设计的场合可以单筋模型化。 除以上的计算方法之外，在切实能够体现实际行为的解析手法得以确认的场合可按此处理。 同时，为了把作用于桥墩的力传达到锚固部位及基础底脚，桥墩基部的底板下面恰当地填充混凝土是重要的，须充分注意底板下面的混凝土的施工。另外，锚固部分在混凝土被恰当施工的场合，一般发生的应力较之设计设定的应力要小得多，因而可不进行对桥墩墩身的极限水平抗力的设计。但对此之外的结构细节及底脚混凝土要做适当的校核。 以桥墩基部防止车辆冲突时变形为目的充填混凝土的场合，实质上桥墩基部的抗力比仅为钢断面的场合大，因此必须参考充填混凝土的钢制桥墩的抗力的计算法，考虑填充混凝土的影响。10.5 由上部结构等静载产生的偏心力矩作用场合下充填混凝土的钢制桥墩 由上部结构等静载产生的偏心力矩作用场合下充填混凝土的钢制桥墩的地震时保有水平抗力及容许塑性率，根据式(10.5.1)及式(10.5.2)算出。 (10.5.1) (10.5.2)其中，PaE：由上部结构等静载产生的偏心力矩作用场合下充填的混凝土的钢制桥墩的地震时保有水平抗力(tf)aE：由上部结构等静载产生的偏心力矩作用场合下充填混凝土的钢制桥墩的容许塑性率PyE：由上部结构等静载产生的偏心力矩作用场合下充填混凝土的钢制桥墩的屈服水平抗力(tf)，根据式(10.