工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計基礎(chǔ) Part.2 第7章 大跨度梁橋抗震設(shè)計課件

1、第二部分第二部分 大跨度大跨度橋梁抗震設(shè)計橋梁抗震設(shè)計 第第7章章 大跨度梁橋抗震設(shè)計大跨度梁橋抗震設(shè)計 7.1 概概 述述 梁式橋分為五種類型：簡支、懸臂、連續(xù)、T構(gòu)和連續(xù)剛構(gòu)。 由于懸臂梁橋和T型剛構(gòu)橋都在跨內(nèi)設(shè)有掛孔或剪力鉸(只能傳遞剪力而不能傳遞水平推力和彎矩)，對結(jié)構(gòu)的整體剛度、變形和抗震性能都非常不利，在強(qiáng)烈的豎向和水平地震作用下，結(jié)合部很易損壞，產(chǎn)生斷裂而塌落。 連續(xù)剛構(gòu)橋除了保持連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)外，還可節(jié)省支座的費(fèi)用，減小下部結(jié)構(gòu)的工程量，特別適用于大跨度、高橋墩的情況，高橋墩一般采用柔性薄壁墩，利用其柔性以適應(yīng)各種外力所引起的縱向位移，該橋型越來越受到橋梁工程師的青睞。 大跨度

2、的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，目前國內(nèi)建造的最大跨度已達(dá)到近300m。 但現(xiàn)有的抗震設(shè)計規(guī)范只適用于主跨不超過150m的混凝土梁橋(主要是簡支梁、連續(xù)梁)和拱橋。 7.2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介 以主跨205m的廣東南澳大橋?yàn)槔M(jìn)行介紹。 廣東汕頭南澳跨海大橋分為南橋和北橋。南橋長2935m，北橋長1080m。 主橋位于南橋，主橋跨徑組合130+205+130m，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。 主橋橋面寬17.0m，主梁采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主墩為鋼筋混凝土雙薄壁墩，墩身采用2.5 9.0m的實(shí)體矩形截面，主墩基礎(chǔ)為每墩182.5m鉆孔灌注

3、樁。 7.2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介 某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組合為126m+240m+126m施工過程 7.2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介 某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組合為126m+240m+126m施工過程 7.2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介 某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組合為126m+240m+126m施工過程 7.2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介 箱梁內(nèi)部：內(nèi)空凈高11.7m

4、 7.2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計實(shí)例簡介 某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組合為126m+240m+126m 7.2.1 動力計算模型動力計算模型 建立空間計算模型如圖7.1。 梁和墩簡單地離散為三維梁單元，注意要盡可能真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布。 由于主墩基礎(chǔ)采用的是群樁基礎(chǔ)，需要考慮樁土結(jié)構(gòu)的相互作用。要得到基礎(chǔ)中樁的地震反應(yīng)，只能采用集中質(zhì)量法。 建立兩個深度不同的計算模型用于兩個設(shè)計階段： 六彈簧結(jié)構(gòu)模型用于概念設(shè)計； 樁土結(jié)構(gòu)集中質(zhì)量模型用于延性設(shè)計。 用集中質(zhì)量法將樁土系統(tǒng)離散為質(zhì)量一彈簧一阻尼系統(tǒng)時，采用如下假定： 假定土介質(zhì)為線彈

5、性的連續(xù)介質(zhì)； 用等代土彈簧桿單元來反映土層的恢復(fù)力性質(zhì)，其剛度用“m”法計算?！癿”的定義為： 其中，zx是土體對樁的橫向抗力，Z為土層的深度，Xz為深度Z處土的橫向變位。 等代土彈簧的剛度為： 式中：a為土層的厚度，bp為該土層的寬度，常取樁的計算寬度。 等代土彈簧桿單元的截面積為： 其中，L為桿單元長度，通常取1.0m，E為彈性模量，通常取與樁相同。 實(shí)際上，有 PPK=P E= =/L =P/F 所以，彈簧桿單元的截面積： F=P/=P/( E)=PL/(E)= PLK/(EP)= LK/E 將式(7-2)代入，即得(7-3) 7.2.2 地震動輸入地震動輸入 國家地震局地球物理研究所

6、提供了“汕頭南澳跨海大橋橋址地震安全性評價報告”，給出了四種概率水平(50年超越概率63，10，2和100年超越概率3)的地震烈度值及基巖水平加速度峰值(見表7.1)和相應(yīng)的反應(yīng)譜。 表7.1 四種超越概率的地震烈度50年超越概率(%)631021.5烈度(度)5.97.78.58.6加速度(cm/s2)42201355392橋址區(qū)基本烈度為7.7，屬于強(qiáng)震區(qū)。 在南澳大橋的抗震設(shè)計中，選用了50年10超越概率(P1) 的設(shè)計參數(shù)和人工地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制；用50年2超越概率(P2) 的設(shè)計參數(shù)和人工地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移控制(即延性控制)。 兩個概率水準(zhǔn)的反應(yīng)譜曲線見圖7.2，對應(yīng)于兩個概率水

7、準(zhǔn)，兩個主墩位置的四條地面加速度時程曲線見圖7.3。 豎向地震輸入反應(yīng)譜和時程曲線取與水平向相同，但加速度峰值取為水平向的0.5倍。 7.2.3 抗震概念設(shè)計抗震概念設(shè)計 在地震荷載作用下，主梁慣性力按各柔性墩的剛度分配給各墩承受。如果有多個相同設(shè)計的橋墩，則希望各墩的受力較為均勻，這樣有利于結(jié)構(gòu)的整體抗震。 連續(xù)剛構(gòu)橋的主梁與墩剛結(jié)，在進(jìn)行抗震概念設(shè)計時，重點(diǎn)應(yīng)放在塑性鉸位置的選取上。通常希望塑性鉸出現(xiàn)在便于檢查和易于修復(fù)的、并且經(jīng)過特殊配筋的墩柱處。 7.2.4 強(qiáng)度分析強(qiáng)度分析 采用六彈簧結(jié)構(gòu)模型，選P1概率水平的反應(yīng)譜，分別沿縱向+豎向、橫向+豎向輸入，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析，分別畫出

8、內(nèi)力反應(yīng)包絡(luò)圖(圖7.4、圖7.5)。 圖7.4圖7.5表7.2給出了P1概率水平輸入的結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力反應(yīng)值。 表7.2 控制截面內(nèi)力反應(yīng)值 工況位置縱向+豎向橫向+豎向Mmax(kNm)相應(yīng)N(kN)相應(yīng)Q(kN)M2max相應(yīng)M3(kNm)相應(yīng)N(kN)相應(yīng)Q(kN)主梁2770004520374860002170006790526主墩靠跨中2630005240015500819000560009060022500靠邊跨23100010700012900732000333003730020900單樁21600564013250199201128007066(1) 主墩強(qiáng)度分析主墩強(qiáng)度分析

9、 由于軸力的存在對截面屈服彎矩或極限彎矩影響極大，鋼筋混凝土截面的強(qiáng)度有效表示方法是采用NM相互作用圖表示，平面內(nèi)彎矩軸力相互作用曲線可用圖7.6中的折線近似代替。該曲線具有如下特征點(diǎn)： a點(diǎn)為純受壓狀態(tài)； b點(diǎn)為平衡狀態(tài)； c點(diǎn)為純受拉狀態(tài)； d點(diǎn)為純彎狀態(tài)。 軸力的大小不同，屈服時截面的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)也不同。對小軸壓比(位于圖7.6中bd之間)，對適筋和少筋構(gòu)件，截面受拉側(cè)鋼筋首先屈服(此時軸力小，彎矩大)。而對大軸壓比(位于圖7.6中ab之間)，屈服是以受壓側(cè)混凝土壓碎為標(biāo)志(此時軸力大，彎矩小)。 南澳大橋的軸力彎矩屈服面可以按第5章方法得到。 圖7.7和圖7.8分別為根據(jù)主墩截面尺寸

10、、混凝土標(biāo)號、豎向受力鋼筋配置情況得到的縱向和橫向屈服面，圖上黑點(diǎn)的坐標(biāo)為主墩的最大反應(yīng)。 圖7.7上一點(diǎn)是南澳側(cè)主墩靠中跨薄壁墩墩底相應(yīng)P1概率時的最大縱向地震反應(yīng)，由圖中可見這一點(diǎn)落在屈服面的外面，說明該截面已經(jīng)屈服。 圖7.8上一點(diǎn)為鳳嶼島一側(cè)靠邊跨薄壁墩墩底相應(yīng)P1概率時的最大橫向地震反應(yīng)。 與圖7.7一樣，該截面也屈服了。計算表明，該墩上兩個薄壁墩墩底在橫向地震力作用下都已屈服。 (2) 主梁強(qiáng)度分析主梁強(qiáng)度分析 從圖7.4和圖7.5內(nèi)力包絡(luò)圖上看，主梁主要是跨中截面控制，由表7.2給出的跨中截面的內(nèi)力，縱向反應(yīng)值與靜載內(nèi)力相比不起控制作用，橫向反應(yīng)值與風(fēng)載內(nèi)力相比控制設(shè)計。根據(jù)該截

11、面的橫向抗彎強(qiáng)度為7.31105kNm (包括頂板6束，底板44束預(yù)應(yīng)力筋，全部普通鋼筋及翼緣部分混凝土)大于最大橫向反應(yīng)4.86105kNm，故強(qiáng)度滿足要求。 7.2.5 延性抗震設(shè)計延性抗震設(shè)計 (1) (1) 塑性鉸區(qū)橫向鋼筋設(shè)計塑性鉸區(qū)橫向鋼筋設(shè)計 對于南澳大橋，控制截面為主墩墩底，因此，如何增大該截面的延性成為南澳大橋抗震設(shè)計的關(guān)鍵。 該橋抗震設(shè)計的主墩截面配筋為：箍筋的縱向間距為15cm，箍筋的體積含箍率為：順橋向0.13，橫橋向0.35。 具體計算如下。 我國公路工程抗震設(shè)計規(guī)范第4.4.19條規(guī)定：矩形截面的最小含箍率smin在順橋向和橫橋向均為0.3%，可用下式計算： bSA

12、kgsmin式中：Sk箍筋豎向間距(cm)； b垂直計算方向構(gòu)件截面長度(cm)； Ag計算方向箍筋面積。 圖7.9為設(shè)計單位提供的主墩配筋圖(僅給出平面配筋圖)。主墩的外形尺寸順橋向尺寸為2.5m，橫橋向?yàn)?m，箍筋的豎向間距為15cm，順橋向箍筋面積Ag=18.096cm2，橫橋向箍筋面積Ag=12.064cm2； 顯然，箍筋的配置不足。我國規(guī)范規(guī)定與歐美國家的規(guī)范相比，含箍率很小，而且沒有考慮縱向鋼筋壓潰屈曲破壞，因而很不夠。 為保證塑性鉸區(qū)延性，建議兩種改善箍筋設(shè)置的方法： 方法一：在主墩截面包圍的中間素混凝土部分加設(shè)橫向拉桿，如圖7.10，在順橋方向每隔40cm、橫橋方向每隔20cm

13、增設(shè)一雙肢12拉桿。把原箍筋的豎向間距由15cm縮小到10cm，拉桿的豎向間距定為20cm。 方法二：主墩截面箍筋包圍的中間素混凝土部分加設(shè)箍筋骨架，如圖7.11，箍筋形狀、直徑與周圍的相同(順橋向加一道，橫橋向加四道)。它們的豎向間距，包括原來的箍筋都是10cm。由于箍筋都以骨架的形式設(shè)置，其約束力比單根箍筋大得多。 (2) (2) 抗彎能力驗(yàn)算抗彎能力驗(yàn)算 進(jìn)行鋼筋混凝土墩柱抗彎能力驗(yàn)算時，要計算出墩柱可能發(fā)生的最大塑性轉(zhuǎn)角和最大容許塑性轉(zhuǎn)角，按可修復(fù)破壞極限狀態(tài)考慮。 南澳大橋主墩在地震荷載作用下的受力屬于壓彎受力狀態(tài)，通過P2概率水平地震作用下的非線性時程反應(yīng)分析，表明橋墩已經(jīng)屈服，控

14、制截面為墩底截面，當(dāng)墩底屈服以后，其截面的延性主要表現(xiàn)為曲率延性，圖7.12圖7.14為縱向輸入和橫向輸入時，考慮了箍筋的約束作用以后，相應(yīng)最不利狀態(tài)下主墩繞22軸和繞33軸的彎矩(M)曲率()關(guān)系曲線。 從圖上可以找到各自的u和y，代入公式(5-9)，把求得的u與相應(yīng)P2概率水平非線性時程反應(yīng)中計算得到的最大塑性轉(zhuǎn)角max相比，就可評價截面的延性。 式中：u截面的極限塑性轉(zhuǎn)角， 分別為極限曲率和屈服曲率， 為塑性鉸的范圍(等效長度)，由式(5-11)確定。 yu和pL式中：L墩高(m)； ds縱向主筋的直徑(m)； fy主筋的屈服強(qiáng)度(Nmm2或MPa)。 對于南澳大橋主墩：Lp0.0834+0.0220.0323402.96m，取Lp3m。 據(jù)此，建議在墩底3m范圍內(nèi)按約束混凝土的要求配置箍筋，另外從主墩的彎矩包絡(luò)圖也可看出墩頂截面是僅次于墩底的另一危險截面，雖然計算時尚未達(dá)到屈服，為安全起見，建議在墩頂