工程结构抗震设计基础 Part.2 第7章 大跨度梁桥抗震设计课件

1、第二部分第二部分 大跨度大跨度桥梁抗震设计桥梁抗震设计 第第7章章 大跨度梁桥抗震设计大跨度梁桥抗震设计 7.1 概概 述述 梁式桥分为五种类型：简支、悬臂、连续、T构和连续刚构。 由于悬臂梁桥和T型刚构桥都在跨内设有挂孔或剪力铰(只能传递剪力而不能传递水平推力和弯矩)，对结构的整体刚度、变形和抗震性能都非常不利，在强烈的竖向和水平地震作用下，结合部很易损坏，产生断裂而塌落。 连续刚构桥除了保持连续梁桥的优点外，还可节省支座的费用，减小下部结构的工程量，特别适用于大跨度、高桥墩的情况，高桥墩一般采用柔性薄壁墩，利用其柔性以适应各种外力所引起的纵向位移，该桥型越来越受到桥梁工程师的青睐。 大跨度

2、的预应力混凝土连续刚构桥，目前国内建造的最大跨度已达到近300m。 但现有的抗震设计规范只适用于主跨不超过150m的混凝土梁桥(主要是简支梁、连续梁)和拱桥。 7.2 预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介 以主跨205m的广东南澳大桥为例进行介绍。 广东汕头南澳跨海大桥分为南桥和北桥。南桥长2935m，北桥长1080m。 主桥位于南桥，主桥跨径组合130+205+130m，为预应力混凝土连续刚构桥。 主桥桥面宽17.0m，主梁采用单箱单室预应力混凝土箱梁，主墩为钢筋混凝土双薄壁墩，墩身采用2.5 9.0m的实体矩形截面，主墩基础为每墩182.5m钻孔灌注

3、桩。 7.2 预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介 某预应力混凝土连续刚构桥，跨径组合为126m+240m+126m施工过程 7.2 预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介 某预应力混凝土连续刚构桥，跨径组合为126m+240m+126m施工过程 7.2 预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介 某预应力混凝土连续刚构桥，跨径组合为126m+240m+126m施工过程 7.2 预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介 箱梁内部：内空净高11.7m

4、 7.2 预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介预应力混凝土连续刚构桥抗震设计实例简介 某预应力混凝土连续刚构桥，跨径组合为126m+240m+126m 7.2.1 动力计算模型动力计算模型 建立空间计算模型如图7.1。 梁和墩简单地离散为三维梁单元，注意要尽可能真实地模拟结构的刚度和质量分布。 由于主墩基础采用的是群桩基础，需要考虑桩土结构的相互作用。要得到基础中桩的地震反应，只能采用集中质量法。 建立两个深度不同的计算模型用于两个设计阶段： 六弹簧结构模型用于概念设计； 桩土结构集中质量模型用于延性设计。 用集中质量法将桩土系统离散为质量一弹簧一阻尼系统时，采用如下假定： 假定土介质为线弹

5、性的连续介质； 用等代土弹簧杆单元来反映土层的恢复力性质，其刚度用“m”法计算。“m”的定义为： 其中，zx是土体对桩的横向抗力，Z为土层的深度，Xz为深度Z处土的横向变位。 等代土弹簧的刚度为： 式中：a为土层的厚度，bp为该土层的宽度，常取桩的计算宽度。 等代土弹簧杆单元的截面积为： 其中，L为杆单元长度，通常取1.0m，E为弹性模量，通常取与桩相同。 实际上，有 PPK=P E= =/L =P/F 所以，弹簧杆单元的截面积： F=P/=P/( E)=PL/(E)= PLK/(EP)= LK/E 将式(7-2)代入，即得(7-3) 7.2.2 地震动输入地震动输入 国家地震局地球物理研究所

6、提供了“汕头南澳跨海大桥桥址地震安全性评价报告”，给出了四种概率水平(50年超越概率63，10，2和100年超越概率3)的地震烈度值及基岩水平加速度峰值(见表7.1)和相应的反应谱。 表7.1 四种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桥址区基本烈度为7.7，属于强震区。 在南澳大桥的抗震设计中，选用了50年10超越概率(P1) 的设计参数和人工地震波进行结构强度控制；用50年2超越概率(P2) 的设计参数和人工地震波进行结构位移控制(即延性控制)。 两个概率水准的反应谱曲线见图7.2，对应于两个概率水

7、准，两个主墩位置的四条地面加速度时程曲线见图7.3。 竖向地震输入反应谱和时程曲线取与水平向相同，但加速度峰值取为水平向的0.5倍。 7.2.3 抗震概念设计抗震概念设计 在地震荷载作用下，主梁惯性力按各柔性墩的刚度分配给各墩承受。如果有多个相同设计的桥墩，则希望各墩的受力较为均匀，这样有利于结构的整体抗震。 连续刚构桥的主梁与墩刚结，在进行抗震概念设计时，重点应放在塑性铰位置的选取上。通常希望塑性铰出现在便于检查和易于修复的、并且经过特殊配筋的墩柱处。 7.2.4 强度分析强度分析 采用六弹簧结构模型，选P1概率水平的反应谱，分别沿纵向+竖向、横向+竖向输入，进行结构的地震反应分析，分别画出

8、内力反应包络图(图7.4、图7.5)。 图7.4图7.5表7.2给出了P1概率水平输入的结构控制截面内力反应值。 表7.2 控制截面内力反应值 工况位置纵向+竖向横向+竖向Mmax(kNm)相应N(kN)相应Q(kN)M2max相应M3(kNm)相应N(kN)相应Q(kN)主梁2770004520374860002170006790526主墩靠跨中2630005240015500819000560009060022500靠边跨23100010700012900732000333003730020900单桩21600564013250199201128007066(1) 主墩强度分析主墩强度分析

9、 由于轴力的存在对截面屈服弯矩或极限弯矩影响极大，钢筋混凝土截面的强度有效表示方法是采用NM相互作用图表示，平面内弯矩轴力相互作用曲线可用图7.6中的折线近似代替。该曲线具有如下特征点： a点为纯受压状态； b点为平衡状态； c点为纯受拉状态； d点为纯弯状态。 轴力的大小不同，屈服时截面的应力和应变状态也不同。对小轴压比(位于图7.6中bd之间)，对适筋和少筋构件，截面受拉侧钢筋首先屈服(此时轴力小，弯矩大)。而对大轴压比(位于图7.6中ab之间)，屈服是以受压侧混凝土压碎为标志(此时轴力大，弯矩小)。 南澳大桥的轴力弯矩屈服面可以按第5章方法得到。 图7.7和图7.8分别为根据主墩截面尺寸

10、、混凝土标号、竖向受力钢筋配置情况得到的纵向和横向屈服面，图上黑点的坐标为主墩的最大反应。 图7.7上一点是南澳侧主墩靠中跨薄壁墩墩底相应P1概率时的最大纵向地震反应，由图中可见这一点落在屈服面的外面，说明该截面已经屈服。 图7.8上一点为凤屿岛一侧靠边跨薄壁墩墩底相应P1概率时的最大横向地震反应。 与图7.7一样，该截面也屈服了。计算表明，该墩上两个薄壁墩墩底在横向地震力作用下都已屈服。 (2) 主梁强度分析主梁强度分析 从图7.4和图7.5内力包络图上看，主梁主要是跨中截面控制，由表7.2给出的跨中截面的内力，纵向反应值与静载内力相比不起控制作用，横向反应值与风载内力相比控制设计。根据该截

11、面的横向抗弯强度为7.31105kNm (包括顶板6束，底板44束预应力筋，全部普通钢筋及翼缘部分混凝土)大于最大横向反应4.86105kNm，故强度满足要求。 7.2.5 延性抗震设计延性抗震设计 (1) (1) 塑性铰区横向钢筋设计塑性铰区横向钢筋设计 对于南澳大桥，控制截面为主墩墩底，因此，如何增大该截面的延性成为南澳大桥抗震设计的关键。 该桥抗震设计的主墩截面配筋为：箍筋的纵向间距为15cm，箍筋的体积含箍率为：顺桥向0.13，横桥向0.35。 具体计算如下。 我国公路工程抗震设计规范第4.4.19条规定：矩形截面的最小含箍率smin在顺桥向和横桥向均为0.3%，可用下式计算： bSA

12、kgsmin式中：Sk箍筋竖向间距(cm)； b垂直计算方向构件截面长度(cm)； Ag计算方向箍筋面积。 图7.9为设计单位提供的主墩配筋图(仅给出平面配筋图)。主墩的外形尺寸顺桥向尺寸为2.5m，横桥向为9m，箍筋的竖向间距为15cm，顺桥向箍筋面积Ag=18.096cm2，横桥向箍筋面积Ag=12.064cm2； 显然，箍筋的配置不足。我国规范规定与欧美国家的规范相比，含箍率很小，而且没有考虑纵向钢筋压溃屈曲破坏，因而很不够。 为保证塑性铰区延性，建议两种改善箍筋设置的方法： 方法一：在主墩截面包围的中间素混凝土部分加设横向拉杆，如图7.10，在顺桥方向每隔40cm、横桥方向每隔20cm

13、增设一双肢12拉杆。把原箍筋的竖向间距由15cm缩小到10cm，拉杆的竖向间距定为20cm。 方法二：主墩截面箍筋包围的中间素混凝土部分加设箍筋骨架，如图7.11，箍筋形状、直径与周围的相同(顺桥向加一道，横桥向加四道)。它们的竖向间距，包括原来的箍筋都是10cm。由于箍筋都以骨架的形式设置，其约束力比单根箍筋大得多。 (2) (2) 抗弯能力验算抗弯能力验算 进行钢筋混凝土墩柱抗弯能力验算时，要计算出墩柱可能发生的最大塑性转角和最大容许塑性转角，按可修复破坏极限状态考虑。 南澳大桥主墩在地震荷载作用下的受力属于压弯受力状态，通过P2概率水平地震作用下的非线性时程反应分析，表明桥墩已经屈服，控

14、制截面为墩底截面，当墩底屈服以后，其截面的延性主要表现为曲率延性，图7.12图7.14为纵向输入和横向输入时，考虑了箍筋的约束作用以后，相应最不利状态下主墩绕22轴和绕33轴的弯矩(M)曲率()关系曲线。 从图上可以找到各自的u和y，代入公式(5-9)，把求得的u与相应P2概率水平非线性时程反应中计算得到的最大塑性转角max相比，就可评价截面的延性。 式中：u截面的极限塑性转角， 分别为极限曲率和屈服曲率， 为塑性铰的范围(等效长度)，由式(5-11)确定。 yu和pL式中：L墩高(m)； ds纵向主筋的直径(m)； fy主筋的屈服强度(Nmm2或MPa)。 对于南澳大桥主墩：Lp0.0834+0.0220.0323402.96m，取Lp3m。 据此，建议在墩底3m范围内按约束混凝土的要求配置箍筋，另外从主墩的弯矩包络图也可看出墩顶截面是仅次于墩底的另一危险截面，虽然计算时尚未达到屈服，为安全起见，建议在墩顶