公路桥梁抗震设计中的部分问题.pptx
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1、 内容包括下列三部分:内容包括下列三部分:一、桥梁地震震害感性了解一、桥梁地震震害感性了解 二、关于地震力理论和抗震设计方法;二、关于地震力理论和抗震设计方法;三、对三、对公路桥梁抗震设计细则公路桥梁抗震设计细则中中 部分问题的理解。部分问题的理解。公路桥梁抗震设计中的部分公路桥梁抗震设计中的部分问题问题1 一、桥梁地震震害感性了解一、桥梁地震震害感性了解 1.结构受到的地震影响主要有两种形式结构受到的地震影响主要有两种形式:一是场地运动作用作用于结构一地震力于结构一地震力使结构产生振动而受到影响;另一种形式是场地发生断裂、地基不均匀沉降及液化等情况时场地不同部分间发生相对位移,使结构产生强制
2、变形使结构产生强制变形而导致其结构破坏。1.1.1.1.第二种影响第二种影响多发生于长大的桥梁受断层影响或各个墩台所处位置的地质条件很不相同而产生相对位移时而导致落梁、支座剪坏以至倒塌等情况!由于场地相对位移使桥梁产生强制变形的问题难以预防,抗震设计较为困难,目前相关的研究活动还处于初始阶段 对于这种情况“抗震细则”只是于第四章中对桥位的选择、地基的处理和抗震措施方面做了有关的规定.2 下面是地震中地面相对位移导致桥梁破下面是地震中地面相对位移导致桥梁破坏的一些照片坏的一些照片:都汶路百花大都汶路百花大都汶路百花大都汶路百花大桥桥桥桥 落落落落 梁梁梁梁 破破破破 坏坏坏坏3 支座及挡块破坏支
3、座及挡块破坏 4伸缩缝破坏伸缩缝破坏 5 1.2.1.2.桥梁结构受到地震影响的另一种形式桥梁结构受到地震影响的另一种形式受地震力作用受地震力作用而振动导致其破坏的情况而振动导致其破坏的情况.下面所讲内容主要只针对这种形下面所讲内容主要只针对这种形式的影响。式的影响。对于梁式桥破坏主要产生于桥墩部位对于梁式桥破坏主要产生于桥墩部位.1).1).弯曲破坏:下面是这种破坏的两张照片弯曲破坏:下面是这种破坏的两张照片:6 弯曲破坏的过程弯曲破坏的过程 如下图所示:如下图所示:谢本图谢本图1.2A1.2A及及1.31.37 2).2).剪切破坏剪切破坏;下面是下部结构剪切破坏的实拍照片:8 9 剪切破
4、坏的过程如下图所示:剪切破坏的过程如下图所示:谢本图1.2c及图1.4 G214G214线巴塘线巴塘-囊谦段桥梁抗震情况囊谦段桥梁抗震情况10 2.2.日本日本9595阪神大地震皮尔茨大桥破坏的阪神大地震皮尔茨大桥破坏的 基本情况:基本情况:下面是该桥的结构型式和配筋11 该桥破坏机理分析该桥破坏机理分析12 对该桥破坏(学者)的见解对该桥破坏(学者)的见解:19951995年1月17日本阪神大地震中许多结构物被毁,桥梁的破坏尤为严重,皮尔茨大桥是其中一例。对于该桥的破坏分析,在学者之间有不同的见解,但一般认为剪切强度不足、配筋过少和不适当的纵筋截断是地震破坏的重要原因;此次地震中破坏的桥梁均
5、是按日本1964年的规范设计,设计所用的加速度反应谱峰值仅为0.20.4g .而桥梁实际承受的地震反应谱峰值达1g甚至达2g,当时采用的是弹性理论,设计中没有演算屈服以后的结构变形.抗震设计不但在弹性范围内而且也应在弹塑性范围内确保结构的安全.所以,日本新的公路桥梁抗震设计规范完全采用了两阶段的抗震设计方法,对于中小地震、强震分别按弹性理论和弹塑性理论设计,满足中小地震不损伤、大震可以修复的设防要求.133 3、桥梁震害的原因与启示、桥梁震害的原因与启示14 15 16 17 18 二、关于地震力理论和抗震设计方法二、关于地震力理论和抗震设计方法 1 1、地震力理论、地震力理论 进行结构抗震设
6、计首先需研究地震时地面运动对结构 产生的动态效应,通俗地讲就是要计算地震力。地震力的计算分静力法和动力法 1.1 1.1 静力法静力法*:假定结构的各部分与其所在场 地具有相同的振动,结构物的 地震反应就是结构的惯性力,即:把惯性力视作静力作用于结构做抗震计算,这种方 法称为静力法。19 该方法由于假定结构相对于地面是静止的,无相对运动,所只有结构不变 形、为刚体时才成立。静力法的概念系日本学者于1899年提出,系数k-日本于年制定的关于公路桥梁细则草案将日本国内按不同地震区域、不同的地基条件取 0.15、0.20、0.30、0.40-该方法把结构在地震时的动力反应看作是静止的惯性力,假定结构
7、不变形,忽略了地震时地面运动特性(剪切波速、振幅等)和结构的动力特性(刚度、自振周期等),所以未能科学地解决结构的抗震问题。但是对于刚性结构,它还是适用的,所以2008年部颁公路桥梁抗震设计细 则 (下简称“细则”)第6.1.5条仍采用89年部颁原公路工程抗震设计规范(下简称“89规范”)相应条文的个规定:地震作用下,桥台台身地震力可 按静力法计算。随着对地震灾害的分析和对地震作用的深入研究,静力法越来越暴露出它 的不合理性,所以到上世纪四十年代便提出了考虑地面运动和结构动力特 性的属于动力法的反应谱法20 1.1.、动力法、动力法 首先建立结构体系在地震作用下的运动方程。1.2.1 1.2.
8、1单质点体系运动方程的建立单质点体系运动方程的建立 有一些结构物如中小跨径、高度不大的 桥梁,单层的房屋等,可近似地将结构 的全部质量集中于一个点,如右图(一)所 示将桥梁上、下部结构的全部质量集中于墩顶,简化成用无重量的弹性 直 杆支承于地面的单质点,并假定体系不发生转动,而把地基的运动分解为 一个竖向、两个水平方向的分量,分别计算。图(一)中:表示地震时地面的水平位移分量,是时间t的函数,它的 变化规律可自用强震仪测得的地震时地面运动的实测记录得到;X(t)表示质点相对于地面的水平位移,也是时间t 的涵数,是待求的未知 量。为了确定当地面位移按 的规律变化时单质点弹性体系的相对位 移反应x
9、(t),需要建立其运动方程。21 取质点m为隔离体,作用于它上面的力有:弹性恢复力 S=-kx(t)-质点要回到平衡位置的力,k为直杆的刚度系数 阻尼力 R=-c(t)-结构在振动过程中存在外部介质的阻尼力,结构的 振动将逐渐衰减,假定阻尼力与速度成正比:显然,在地震作用下质点的绝对加速度为 根据牛顿第二定律,质点的运动方程可写为:整理后得:这就是在地震 作用下单质点体系的运动微分方程,是一个二阶常系 数线性非齐次微分方程,22 方程(1)的解由通解和特解两部分组成:其通解-右端项等于零的齐次方程(其物理意义是结构自由振动)的解它为 它的特解(表示强迫振动)为:上式(3)称为杜哈梅(Duham
10、el)积分,它与齐次微分方程的通解之和就是微分 方程(1)的全解。(式中 称自振园频率,称为阻尼比)由上面(2)、(3)两式求出结构相对于地面的位移x(t)后,就可以求得其加 速度。理论上该加速度与场地运动加速度之和乘以结构的质量,即 就可得到结构的 地震反应即地震力,然而,由于加速度 是不规则的函数,杜哈梅积分难以用一般的函数来表示,所以地震作用的具体计算是通过下面几种方法而实现的:反应谱法、时程分析法和功率谱法:反应谱法是一种简化计算方法,时程分析法是微分方程的数值积分法,功率谱法-。23 1.2.2 1.2.2反应谱法反应谱法 1)概述 该法于1943年由美国人提出,1958年第一届世界
11、地震工程会议后,被许 多国家的抗震设计规范所采用,亦为我国的“89规范”所采用,“细则”中对于为数众多的、一般的规则桥梁仍采用该方法,所以,下面对该方 法 要做一概括的介绍:作用于质点上的惯性力等于它的质量m 乘以绝对加速度,其方向与加速度 方向相反,即 将(1)式代入上式得:(略去不计;再由 得)F(t)=kx(t)或者 24 上式左端 x(t)为地震时质点产生的相对位移,右端F(t)为该瞬时惯性力使质点产生的相对位移,因此可以认为在某瞬时地震作用使结构产生的相对位移,是该瞬时的惯性力引起的,这也是为什么可以将惯性力理解为一种能反映地震影响的等效荷载的原因。将前面的(3)式代入(5)式(略去
12、 与 的微小差别)得:由上式可知:水平地震作用(惯性力-地震影响的等效荷载)是时间t的函数,它的大小和方向随时间t 而变化。25 在结构抗震设计中,并不需要求出每一时刻地震作用的数值,而只需求出作用的最大值。设该值以F表示,由(6)式得:-(7)或 F=mS 这里,S是某一地震记录输入給一单质点结构体系()所产生的最大加速度,将该记录输入给不同的单质点结构()就可以得 条S随周期T而变化以 为参数的S-T曲线,该曲线称为加数度反应谱;反映地震反应的反应谱还有速度及位移反应谱-见下页。(谱-依照事物的类别或系统所编制的示范性的图书、表册、图形、曲线等如简谱、五线谱、家谱等)将上页分开并插图26
13、反应谱示例反应谱示例27 2 2)0808细则中的加速度反应谱细则中的加速度反应谱 上面所讲的反应谱系某一次地震记录输入于不同单质点体系所得到的反应谱;而不同的地面运动记录输入会得到不同的反应谱;所以设计中应使用结构所在场地的地震记录输入所做的反应谱,但这是难以做到的。那么一般规范中所给出的反应谱是以怎样的地震记录输入而绘制的呢?为了使处于不同场地的结构抗震设计均能使用,规范所给出的是将大量的地震加速度记录分别输入于不同的单质点体系,绘制出众多反应谱曲线后,再根据统计分析,而作出的具有代表性的平均反应谱,亦称为标准反应谱。“细则”第5.2.1条所给出的右图 所示设计加数度反应谱就是这样得 到的
14、平均 应谱。28 3 3)、反应谱的使用)、反应谱的使用-地震反应的计算地震反应的计算 “细则”水平设计加速度反应谱图5.2.1中:(细则式5.2.2);谱值 S可根据结构的自振周期由谱曲线或 下式 求出:此S值-水平设计加速度反应谱值便是“细则”6.7.16.7.4条计算水平地震力的各公式中的 在这些公式中还有一些参数,例如 在计算桥墩墩顶的水平地震力的公式6.7.2-1中的 等,虽然计算式很长、比较复杂,但都是计算结构的刚度和把结构各部分的质量如何简化至墩顶的计算,均只是用到静力学、材料力学方面的一些基本公式并无困难。29 通过上面的介绍可知:通过上面的介绍可知:计算结构地震作用的反应谱法
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