ch4桥梁工程抗震设计

第四章桥梁工程抗震设计正确选择能够有效抵抗地震作用的结构形式；合理地分配结构的刚度、质量和阻尼等动力参数，以便最大限度地利用构成结构的构件和材料的承载能力和变形能力；正确估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构、构造和其它抗震措施，使损失控制在限定的范围内。桥梁抗震设计的任务：桥梁抗震设计的目的：保证桥梁工程在地震下的安全性4.1桥梁工程抗震设计流程图4.1桥梁工程抗震设计流程图开始抗震构造设计结束抗震概念设计地震反应分析不通过抗震性能验算修改设计通过抗震设防标准选定完整的抗震设计流程4.2抗震概念设计理想的桥梁结构体系布置：(1)几何线形：直桥，各墩高度相差不大。(2)结构布局：上部结构连续，伸缩缝尽可能少；桥梁保持小跨径；弹性支座布置在多个桥墩上；各个桥墩的强度和刚度在各个方向都相同；基础建造在坚硬场地上。结构抗震设计“概念设计”“数值设计”塑性耗能机制选择延性类型选择结构体系选择1地震动输入：

地震加速度反应谱（采用规范反应谱，或场地设计反应谱）地震动加速度时程（直接利用强震记录、采用人工地震加速度时程和规范标准化地震加速度时程）

一般要选取多组以供比较分析输入（激励）系统（结构）输出（反应）图4.2

动力学问题三要素4.3地震反应分析4.3.1地震输入的确定加速度峰值频谱特性持续时间总刚度矩阵：线性、非线性2地震动输入方式：

方向：纵桥向、横桥向、竖向同步、不同步单点输入和同步、不同步多点输入4.3.2地震振动方程及结构力学模型1地震振动方程的建立（在恒载下的平衡位置）总质量矩阵：集中质量矩阵总阻尼矩阵：瑞利阻尼假设关键在于确定结构的振型阻尼比，以及两阶控制频率刚度成比例阻尼质量成比例阻尼组合阻尼mnmn图4.3阻尼比和频率的关系(瑞利阻尼假定)假定则计算模型必须如实地反映结构构件的几何、材料特性，以及各构件的边界连接条件2动力计算模型的建立上部结构的计算模型墩柱的计算模型采用能反映上部结构质量分布和刚度特征的简化的脊梁模型（梁单元）： 上部结构的质量必须尽可能正确模拟桥梁墩柱一般采用梁单元模拟：对于重力式桥墩，或者高墩，单元的划分不宜太粗。为了考虑钢筋混凝土桥墩的带裂缝工作状态，往往需要采用开裂截面惯性矩代替毛截面惯性矩。如果需要分析墩柱的弹塑性反应，则应采用适当的弹塑性单元模拟潜在塑性铰区的工作特性。实体有限元、纤维单元、弹簧单元、弹塑性梁柱单元固定支座：一般采用主从关系进行处理活动支座：各种橡胶支座、抗震支座一般需采用特殊的非线性单元处理在工程应用中，对支承条件的非线性特性大多采用较简单的恢复力模型来表达。支座在竖向和三个转动方向的刚度可根据其可活动性粗略地取0或主从；而支座在水平方向的刚度，不能移动的自由度取主从，可移动的自由度，应根据支座的特点选取合适的恢复力模型。

支座的计算模拟(a)板式橡胶支座恢复力模型可以取为直线型（线性）：(b)聚四氟乙烯滑板橡胶支座、活动盆式支座、活动球型支座图4.4滑板支座的恢复力模型(c)铅芯橡胶支座和弧形钢板减震橡胶支座图4.5双线性恢复力模型聚四氟乙烯滑板橡胶支座的动力滞回曲线类似于理想弹塑性材料的应力-应变关系：活动盆式支座和活动球型支座，临界位移很小。基础及边界条件的模拟刚性扩大基础：一般可采用固定边界条件桩基础：中小跨度桥梁：可以简单地仅考虑基础的柔度（六根等效弹簧模拟）大跨度桥梁：一般应考虑桩－土－结构相互作用（集中质量法）桥梁建模示例图4.6某一联高架桥立面图（单位：cm）图4.7某一联高架桥横断面图（单位：cm）图4.8一联高架桥动力计算模型4.3.3地震反应分析1反应谱分析规则桥梁：可以简化为单质点体系的，手算非规则桥梁：一般需借助计算程序进行：计算频率阶数、振型组合方法2时程分析过程相当冗繁，一般都需要借助于专用程序进行计算。需要输入多条地震动时程进行分析，取平均值。（一般用于线弹性反应分析，复杂桥梁只作为估算手段）（可进行线性或非线性地震反应分析）4.4.1结构破坏准则1强度破坏准则适用于脆性破坏模式和脆性构件，以及不允许发生非弹性变形的构件。4.4抗震验算抗震验算的主要部分：墩柱，以及支座等连接构件。2变形破坏准则（强度、变形（延性）、能量、变形和能量、基于性能的破坏准则）4.4.2钢筋混凝土墩柱的抗弯能力验算抗弯强度验算：采用强度破坏准则，按现行公路桥涵设计规范进行。非弹性变形验算：采用延性破坏准则验算墩柱的延性能力。规则桥梁，可直接验算墩柱的位移延性复杂桥梁，可验算墩柱的最大塑性转角4.4.3钢筋混凝土墩柱的抗剪强度验算抗剪强度计算公式可参考国外规范，如美国Caltrans抗震设计准则。

延性墩柱的抗剪强度验算必须采用能力设计原理进行；对塑性铰区内外截面都要进行抗剪强度验算。混凝土和横向钢筋共同提供4.4.4支座的抗震验算支座厚度检算(防止剪切破坏)：1板式橡胶支座抗滑稳定性检算橡胶支座与混凝土表面的动摩阻系数采用0.15;与钢板的动摩阻系数采用0.102盆式支座活动支座固定支座设置在延性桥墩上的板式橡胶支座或固定盆式支座，应采用能力设计原理进行抗震验算4.5抗震构造设计支承连接部位的支承面最小宽度墩（台）与梁的连接构造设计墩柱的构造设计限制支承连接部位的支承面最小宽度相邻梁之间安装纵向约束装置aaa桥墩桥台挂梁图4.10梁端最小边缘距日本桥梁抗震设计规范：我国公路工程抗震设计规范：梁与悬臂之间的搭接长度a不应小于60cma(cm)L：梁的计算跨径(m)。桥台桥墩钢扣件钢缆或钢棒缓冲材料图4.11

拉杆式防落梁构造混凝土挡块缓冲材料钢挡块缓冲材料图4.12

挡块式防落梁构造纵向约束装置（具有足够强度，同时不妨碍支座的变形）补充材料动力特性有限元模型非线性因素及其处理动力方程的数值解法时程分析分析软件动力特性车辆地震风载2.有限元模型刚度模拟——挠曲刚度、剪切刚度、轴向拉压刚度、扭转刚度、翘曲刚度；质量模拟——包括平动质量和转动惯量；边界条件模拟——支座、伸缩缝、后继结构、基础等。主梁的模拟脊梁式、二梁式、π梁式、三梁式脊梁式优点：把截面所有的挠曲、扭转刚度、质量、转动惯量集中在中间节点；缺点：无法计入横梁的刚度及主梁的约束扭转刚度；适用：闭口整体箱梁。二梁式优点：节点数少，可充分考虑横梁的质量、刚度，主梁可提供部分约束扭转刚度；缺点：断面的横向刚度失真；适用：双分离主梁。π梁式优点：把桥面系的刚度和质量放在各自正确的位置上；缺点：节点和杆件数太多；适用：双分离主梁。用当量扭转刚度考虑截面翘曲影响：——截面自由扭转刚度；——翘曲常数；——截面竖向挠曲刚度；——截面换算面积；——桥面板中面到截面中和轴的距离；——截面横向挠曲刚度；——边主梁中心距；三梁式优点：把桥面系的刚度和质量放在各自正确的位置上；缺点：节点和杆件数太多；适用：双分离主梁。横向挠曲刚度集中于中间梁根据约束扭转刚度由两边梁提供的原则确定竖向挠曲刚度：——截面竖向挠曲刚度；——约束扭转刚度；质量和质量惯性矩可集中于中间梁，也可把质量分配到三片梁，由边梁提供质量惯性矩。特点：可充分考虑约束扭转刚度，提高扭频精度；适用：自由扭转刚度小的开口薄壁截面。支座的模拟固定支座处理为铰接；2.滑动支座聚四氟乙烯滑板式支座；盆式橡胶支座（滑动支座）；3.普通板式橡胶支座；4.隔震支座；铅芯橡胶支座高阻尼橡胶支座

FPS（摩擦摆式支座）等固定支座滑板式支座单向滑动盆式橡胶支座平板式滑动支座Ke普通板式橡胶支座处理为线弹性；铅芯橡胶支座铅芯橡胶支座FPS（摩擦摆式支座）扩大基础、沉井基础、锚锭处理为固结；桩基础一般采用以下两种模拟方法：

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边界元上加弹簧刚度

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桩单元加土弹簧基础的模拟非线性因素及其处理必要性非线性来源模拟方法：索单元、梁单元、支座单元、桩土相互作用基础必要性非线性来源动力方程的数值解法地震反应分析程序线弹性分析程序SAP5（美国Berkeley分校编制）SAP2000NONSAP