用MIDAS按新《抗震细则》对桥梁进行地震力分析

陈立楠 张俊波

1 研究背景

2008年8月发布、10月1日起实施的公路工程行业推荐性标准JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则,是我国第一部专门的公路桥梁抗震设计标准。该标准实施后,原JTJ 004-89公路工程抗震设计规范中相应部分被同时废止。本文对利用该细则进行规则桥梁的地震力分析进行了简要介绍,阐述的主要是设计计算方法。

新《细则》采用的2水平设防标准,通过两阶段设计来实现:第1阶段针对E1地震作用进行弹性抗震设计,桥梁可达到和89《规范》基本相当的抗震设防水平;第2阶段针对E2地震作用进行延性抗震设计和相应的能力保护设计,确保桥梁结构具有足够的延性能力,并且只在预先设定的部位出现设定的可控的损伤,避免桥墩剪切破坏、结点或盖梁破坏等脆性破坏模式的出现。

2 计算实例

2.1 基本参数

归类为Ⅱ类场地高速公路大桥中的桥。2 m×27 m预应力混凝土连续梁,墩柱2.6 m×1.6 m,拟定配筋纵筋26×14网格直径25 HRB335钢筋共80根,HRB335箍筋D14间距15 cm。墩柱高9 m,C30混凝土。主梁C50混凝土,梁高1.8 m,桥宽8.96 m,单箱单室,断面如图1所示,中墩采用固定支座,边墩为活动支座。上部结构恒载反力中墩5 143.9+84.01+1 440.91=6 668.82 kN,边墩1 805.99+18.46+460.33,上部总反力11 238.38 kN,按照新《公路桥梁抗震设计细则》计算得结构基频 f1=1.568 387 Hz,周期 T=1/f=0.637 6 s,B类桥梁,设防烈度8度0.2g(0.3g)对应E1为 0.43(0.5),对应 E2为1.3(1.7),括弧中的对应高速公路和一级公路的大桥、特大桥。E1下 S=0.106 2g(0.185 3g),E2下 S=0.321 1g(0.629 9g)。

2.2 E1作用下的地震组合强度计算

地震力组合时分项系数取1.0,中桥配筋26φ 25满足要求;大桥按0.2g基准加速度配28φ 28满足要求。大桥按0.3g基准加速度不满足要求。

N=1.2×7 604.8=9 125.76 kN,M=10 741.6 kN·m(大桥 0.3g标准 M=18 742.3 kN·m;大桥 0.2g标准 M=12 494.8 kN·m)。

2.3 E2作用下的弹塑性位移计算

应用纤维单元进行墩柱M—φ曲线计算,计算结果见图2。

从截面应力状态发展过程录像可以看出第136步为规范中的受拉钢筋首次屈服特征点(φy′,My′),My′=12 230 kN·m,φy′=0.001 723 rad/m。

可以求出混凝土开裂后用于全桥模型的塑性变形计算的墩柱等效刚度:

查新《公路桥梁抗震设计细则》附录B可依次求得 φy,φu以及体积配箍率ρs等,最后求出塑性铰长度 Lp,从而得到变形控制值 Δu。

全桥模型的地震力分配及塑性位移计算:

由于水平地震力全部由中墩承担,对于该桥可以按材料力学公式直接求得:

大桥:δ=S/gxGxH3/(3EIeff)=24.23 cm。

一般桥梁:δ=12.35 cm。

Δd=cδ=12.35 cm(24.23 cm)＜Δu,满足要求。

2.4 能力保护构件计算

2.5 延性配筋构造要求

最小体积含箍率和矩形截面:

其中,ηk为轴压比,指结构的最不利组合轴向压力与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值;ρt为纵向配筋率。

横向计算及多墩的情况与此类似。

3 结语

相对于原89《规范》,新《公路桥梁抗震设计细则》在适用范围、设防目标和设防标准、设计和分析方法等方面均作了大量修订和改进,特别是在设计理念和方法上有重大改进,采用了2水平设防、2阶段设计的抗震设计思想,引入了先进的延性抗震设计方法和能力保护设计原则,实现了和国际先进水平的接轨。本文分别从桥梁抗震设防标准、桥梁延性抗震设计和能力保护设计等几个主要方面进行了简单地论述,其实为抛砖引玉,以利于对新规范的理解和掌握。

[1]JTJ 004-89,公路工程抗震设计规范[S].

[2]JTG/T B02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

[3]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.