桥梁抗震分析与设计专题

桥梁抗震分析与设计专题CONTENTS目录桥梁抗震设计整体思路Ⅰ反应谱分析操作实例Ⅱ横向多柱墩Pushover分析Ⅲ人工地震波生成说明ⅣⅠ、桥梁抗震设计整体思路Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路1957198119902001第一代图是1957年编制的，当时名称是“中国地震区域划分图”，李善邦先生主编，发表于1957年《地球物理学报》，采用的抗震设防要求指标是工程场地可能遭遇的最大地震烈度。该图的编制原则：地震重现与构造类比；由于当时的抗震技术和国家财力限制，未被建设部门采纳。第二代图是1981年发布的，当时的名称是“中国地震烈度区划图”。采用的抗震设防要求指标是“在未来一百年内，该地区可能遭遇的最大地震烈度”。该图被国家建委和国家地震局批准作为国家建设部门规划、中小型工程的抗震设防时参考使用。第三代图是1990年由建设部和国家地震局联合颁布，并作为一般工业与民用建筑抗震设防的依据。该区划图编制的核心是采用地震危险性概率分析方法，并结合中国地震活动特点加以改进，反应我国地震活动时、空不均匀性的特点，并吸收地震预测方面的研究成果，以50年超越概率10%的地震烈度作为编图指标。第四代图是2001年以强制性国家标准GB18306-2001发布，以烈度表述的地震区划不能满足需要，迫切需要以反应谱和峰值加速度双参数来表述地震动的区划图，给出一般场地土条件下、50年超越概率10%（重现期475年）的地震动参数，成果为“两图一表一规定”。最核心的内容是采用地震动参数编图，直接给出工程设计所需的地震反应谱的关键参数。中国地震动参数区划图Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路地震概率水准为50年超越概率10%，对应的场地类别为Ⅱ类场地“两图”我国第五代地震动参数区划图，实施国土全面设防、地震动参数明确到乡镇（两图两表一文本）中国地震动参数区划图Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路“两表”通过Ⅱ类场地地震峰值加速度

来确定抗震烈度6789Ⅱ类场地Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路超越概率多遇地震：重现期50年，50年超越概率为设防烈度地震：重现期475年，50年超越概率为罕遇地震：重现期1600~2400年，50年超越概率为《建筑结构荷载规范理解与应用-2012》重现期《JTG∕TB02-01-2008公路桥梁抗震设计细则》《JTGD60-2015公路桥涵设计通用规范》E1：重现期475年，100年超越概率为E2：重现期2000年，100年超越概率为设计基准期50年，即50年一遇Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路《公路桥梁抗震设计规范》Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路公路桥梁抗震设防总体思想D类桥梁：采用一水准设防，一阶段设计。B类、C类桥梁：采用两水准设防，两阶段设计，第一阶段为强度设计，第二阶段为延性设计。

第一阶段的抗震设计，即对应E1地震作用的抗震设计，采用弹性抗震设计，保证桥梁结构在E1地震作用下处于弹性状态。

第二阶段的抗震设计，即对应E2地震作用的抗震设计，采用延性抗震设计，并引入能力保护设计原则A类桥梁、B类和C类中的斜拉桥和悬索桥以及采用减隔震设计的桥梁：采用两水准设防，两阶段设计，第一阶段和第二阶段抗震设计均采用弹性抗震设计。E1地震作用下的抗震计算应采用全截面刚度,控制弯矩My0。E2地震作用下的抗震计算可采用开裂截面刚度，控制弯矩My（特殊桥梁开裂刚度如何取值：0.8I(9.3.3第5款)。Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路《公路桥梁抗震设计规范》两类地震作用四类设防类别三类设计方法两种抗震体系两种桥梁分类两种主要计算方法重要概念243222Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路两类桥梁地震作用超越概率多遇地震：重现期50年，50年超越概率为设防烈度地震：重现期475年，50年超越概率为罕遇地震：重现期1600~2400年，50年超越概率为《建筑结构荷载规范理解与应用-2012》重现期《JTG∕TB02-01-2008公路桥梁抗震设计细则》《JTGD60-2015公路桥涵设计通用规范》E1：重现期475年，100年超越概率为E2：重现期2000年，100年超越概率为设计基准期50年，即50年一遇Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路四类桥梁抗震设防类别反映建设规模反映技术复杂程度符合其中一个指标即可Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路三类桥梁抗震设计方法6789Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路两种抗震体系延性构件：桥墩能力保护构件：盖梁、基础、墩柱抗剪、墩顶位移、支座减隔震支座Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路允许桥梁结构发生塑性变形，不仅用构件的强度作为衡量结构性能的指标，同时要校核构件的变形能力是否满足要求。核心：何为延性设计？规范中的延性设计桥梁体系中设置延性构件，桥梁在E2地震作用，延性构件进入塑性状态进行耗能，同时可以减小结构刚度，增大结构周期，达到减小地震动响应的目的。Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路桥墩的两种破坏形态桥墩-弯曲破坏桥墩-剪切破坏Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路两种桥梁分类Ⅰ、桥梁抗震设计整体思路反应谱是单自由度弹性体系在给定的地震作用下，某个最大反映量（加速度）与体系自振周期的关系曲线。两种分析方法-反应谱MMⅠ、桥梁抗震设计整体思路时程分析的总体思路时程分析是纯碎的动力分析方法，可以考虑各个时间点的地震效应。对于桥梁结构，地震时程分析采用的方法：非线性动力分析两种分析方法-时程法THⅡ、反应谱分析操作实例Ⅱ、反应谱分析操作实例常规桥梁总体设计流程生成反应谱荷载设置弹塑性材料数据生成桥墩M-φ曲线E1验算及结果输出折减桥墩刚度E2验算及结果输出Ⅱ、反应谱分析操作实例与静力分析模型的区别：不在精细的模拟，而重点是要真实、准确地反映结构质量、结构及构件刚度、结构阻尼及边界条件。需要定义准确质量数据定义材料、设计反应谱、反应谱荷载工况准确模拟支座刚度准确模拟桩土效应上部结构：两联3x32m现浇箱梁，梁高1.6m，单箱三室结构下部结构:双柱式中墩(1.8×1.8）m，双柱接盖梁交接墩(1.3×1.6）m基础：钻孔灌注桩基础，桩径1.5m，桩长50m分区特征周期0.4s，场地类别Ⅱ类，抗震设防烈度7度（0.1g）Ⅱ、反应谱分析操作实例Tg相较于08细则，放大1.11倍Ⅱ、反应谱分析操作实例影响E1与E2峰值Ⅱ、反应谱分析操作实例Ⅱ、反应谱分析操作实例荷载转换为质量*区别于常规结构计算，二期恒载须考虑转换为质量；*自重在结构类型设置转换为质量，在荷载中设置无效；*为了得到反应谱计算所需的周期和振型，自重、二期均选择转换为X,Y,Z三个方向。Ⅱ、反应谱分析操作实例*采用多重Ritz向量法可以更快的得到三个方向反应谱分析所需的振型。*计算方向阵型参与质量需达到90%。Ⅱ、反应谱分析操作实例支座模拟*支座模拟采用弹性连接模拟，水平固定方向约束刚度采用10^5kN/m，竖向刚度采用10^7kN/m。常见支座布置情况示意：Ⅱ、反应谱分析操作实例桩基模拟（桩土效应）m动=（2~3）m静Ⅱ、反应谱分析操作实例*地震输入方向：直线桥：顺桥向&横桥向；

曲线桥：相邻两桥墩连线方向&垂直于连线水平方向。①②③④⑤Ⅱ、反应谱分析操作实例*E1进行桥墩强度验算。Ⅱ、反应谱分析操作实例约束混凝土材料本构（Mander本构）：钢筋材料本构（双折线）：Ⅱ、反应谱分析操作实例7.4.8-1：Ⅱ、反应谱分析操作实例桥墩屈服判断：*《规范》6.7.1给出桥墩屈服判断条件，CDN根据规范进行判断。由于《规范》并未明确桥墩材料强度选用标准值还是设计值，CDN中开放选项供选用。*桥墩屈服判断满足要求，说明E2地震作用下桥墩仍处于弹性状态，验算强度。不满足屈服判断，说明桥墩进入塑性，需按延性构件验算强度及墩顶位移。Ⅱ、反应谱分析操作实例延性构件刚度折减：等效屈服弯矩9848kN.m等效屈服曲率0.002117

等效刚度4651865.848

弹模3.25E+07kN/m2Iyy4.10E-01m4初始刚度1.33E+07

刚度折减系数3.49E-01

Ⅱ、反应谱分析操作实例类型序号验算项规范条款B、C类桥梁抗震强度验算1桥墩强度验算7.3.12矮墩强度验算7.3.23墩柱塑性铰区域斜截面抗剪强度验算7.3.44桩基承载能力及强度验算7.3.55盖梁抗弯、抗剪强度验算7.3.6B、C类桥梁墩柱变形验算6单柱墩容许位移验算7.4.47双柱墩、排架墩容许位移验算7.4.6B、C类桥梁支座验算9板式橡胶支座厚度验算7.5.1-110板式橡胶支座抗滑稳定性验算7.5.1-211盆式支座、球型支座验算7.5.2*E1地震作用下，验算强度；E2地震作用下，验算强度和位移。*D类桥梁支座按E1地震作用验算。抗震验算项目Ⅱ、反应谱分析操作实例支座验算：桥墩塑性铰区域抗剪验算：Ⅱ、反应谱分析操作实例Ⅱ、反应谱分析操作实例墩顶位移验算：Ⅱ、反应谱分析操作实例Ⅱ、反应谱分析操作实例等效塑性铰长度取较小值屈服位移+塑性位移Ⅱ、反应谱分析操作实例曲率>转角>位移12转角×高度Ⅱ、反应谱分析操作实例Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析目的-双柱墩、排架墩横向桥横桥向容许位移Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析主要思路是桥墩通过位移控制，不断增加盖梁中心节点的横向位移量，随着横向位移的增加，桥墩出现塑性铰，墩顶（底）的曲率增大。一旦曲率达到极限曲率（考虑安全系数2），此时墩顶盖梁中心的横向位移即为所求的位移值。在推的过程中，由于极限曲率与轴力直接相关，或者说极限曲率是通过计算桥墩的M-PHI曲线得到的。在整个过程中轴力在不断变化，极限曲率也随之变化，故需要通过迭代的方法才能得到最终的允许位移值。CJJ166-2011Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析Pushover模型说明Pushover模型中需要定义边界条件与整体模型一致。支座传递上部荷载通过节点荷载施加（仅影响推倒过程中桥墩的轴力），另外需要考虑桥墩自重影响。除此以外，需要设置一个Pushover工况，此工况为施加在控制节点上的一个水平力（力的大小可任意指定，此例为100kN），用于确定推倒模式。Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析分析步骤Step1-整体控制Step2-荷载工况Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析Pushover的铰特性中，集中铰输出转角结果，分布铰输出曲率结果。交互类型中“无”需要用户自己定义弯矩和曲率的非线性关系，“P-M”是通过屈服面确定弯矩曲率的非线性关系，“P-M-M”是通过三轴屈服球确定非线性关系。此处选择“P-M”,程序这里仅定义屈服面的定义规则，分配特性铰后，程序会根据这里的规则和程序的配筋情况计算最终的铰特性值。Step3-定义Pushover铰特性值Step4-分配Pushover铰特性值分析步骤Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析首先确定荷载作用下桥墩轴力，然后通过弯矩曲率曲线确定极限曲率数值并和pushover计算的曲率对比。Step5-查看恒载轴力Step6-计算极限曲率分析步骤Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析根据恒载轴力计算的极限曲率0.0982在Pushover的步骤中查找相应曲率。目标位移推到50cm最终的曲率最大值只有0.04549，显示远远小于恒载轴力下的曲率值，说明恒载轴力与极限位移对应步骤的轴力相差较大。将轴力假设为最后一个步骤的轴力值再次计算最大曲率。分析步骤Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析计算最大轴力（27829.4）下的极限曲率分析步骤查找极限曲率对应的步骤Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析目的-双柱墩、排架墩横桥向超强弯矩和剪力设计值Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析Pushover分析：Pushover分析的目的：Pushover分析的方法：得到双柱墩、排架墩横桥向容许位移得到双柱墩、排架墩塑性铰区域抗剪验算所需的最大、最小轴力得到多柱盖梁抗剪验算所需的设计剪力建立子模型，迭代得到水平力，而后考虑恒载及Push工况，进行分析Ⅲ、横向多柱墩Pushover分析Pushover分析：水平剪力迭代：*迭代方法：M-Phi曲线得到轴力，求得墩顶水平力。*收敛标准：两次计算水平剪力相差在10%以内。计算次数轴力M-phi极限曲率反查步数反查步骤曲率曲率差反查轴力轴力差异左墩剪力右墩剪力墩顶水平力水平力差异159700.025463046390.0251441.27%12242105.07%3726.14183.47909.5--2122420.017970725270.0179