用MIDAS按新《抗震細則》對橋梁進行地震力分析

陳立楠 張俊波

1 研究背景

2008年8月發布、10月1日起實施的公路工程行業推薦性標準JTG/T B02-01-2008公路橋梁抗震設計細則,是我國第一部專門的公路橋梁抗震設計標準。該標準實施后,原JTJ 004-89公路工程抗震設計規范中相應部分被同時廢止。本文對利用該細則進行規則橋梁的地震力分析進行了簡要介紹,闡述的主要是設計計算方法。

新《細則》采用的2水平設防標準,通過兩階段設計來實現:第1階段針對E1地震作用進行彈性抗震設計,橋梁可達到和89《規范》基本相當的抗震設防水平;第2階段針對E2地震作用進行延性抗震設計和相應的能力保護設計,確保橋梁結構具有足夠的延性能力,并且只在預先設定的部位出現設定的可控的損傷,避免橋墩剪切破壞、結點或蓋梁破壞等脆性破壞模式的出現。

2 計算實例

2.1 基本參數

歸類為Ⅱ類場地高速公路大橋中的橋。2 m×27 m預應力混凝土連續梁,墩柱2.6 m×1.6 m,擬定配筋縱筋26×14網格直徑25 HRB335鋼筋共80根,HRB335箍筋D14間距15 cm。墩柱高9 m,C30混凝土。主梁C50混凝土,梁高1.8 m,橋寬8.96 m,單箱單室,斷面如圖1所示,中墩采用固定支座,邊墩為活動支座。上部結構恒載反力中墩5 143.9+84.01+1 440.91=6 668.82 kN,邊墩1 805.99+18.46+460.33,上部總反力11 238.38 kN,按照新《公路橋梁抗震設計細則》計算得結構基頻 f1=1.568 387 Hz,周期 T=1/f=0.637 6 s,B類橋梁,設防烈度8度0.2g(0.3g)對應E1為 0.43(0.5),對應 E2為1.3(1.7),括弧中的對應高速公路和一級公路的大橋、特大橋。E1下 S=0.106 2g(0.185 3g),E2下 S=0.321 1g(0.629 9g)。

2.2 E1作用下的地震組合強度計算

地震力組合時分項系數取1.0,中橋配筋26φ 25滿足要求;大橋按0.2g基準加速度配28φ 28滿足要求。大橋按0.3g基準加速度不滿足要求。

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

2.3 E2作用下的彈塑性位移計算

應用纖維單元進行墩柱M—φ曲線計算,計算結果見圖2。

從截面應力狀態發展過程錄像可以看出第136步為規范中的受拉鋼筋首次屈服特征點(φy′,My′),My′=12 230 kN·m,φy′=0.001 723 rad/m。

可以求出混凝土開裂后用于全橋模型的塑性變形計算的墩柱等效剛度:

查新《公路橋梁抗震設計細則》附錄B可依次求得 φy,φu以及體積配箍率ρs等,最后求出塑性鉸長度 Lp,從而得到變形控制值 Δu。

全橋模型的地震力分配及塑性位移計算:

由于水平地震力全部由中墩承擔,對于該橋可以按材料力學公式直接求得:

大橋:δ=S/gxGxH3/(3EIeff)=24.23 cm。

一般橋梁:δ=12.35 cm。

Δd=cδ=12.35 cm(24.23 cm)＜Δu,滿足要求。

2.4 能力保護構件計算

2.5 延性配筋構造要求

最小體積含箍率和矩形截面:

其中,ηk為軸壓比,指結構的最不利組合軸向壓力與柱的全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設計值乘積之比值;ρt為縱向配筋率。

橫向計算及多墩的情況與此類似。

3 結語

相對于原89《規范》,新《公路橋梁抗震設計細則》在適用范圍、設防目標和設防標準、設計和分析方法等方面均作了大量修訂和改進,特別是在設計理念和方法上有重大改進,采用了2水平設防、2階段設計的抗震設計思想,引入了先進的延性抗震設計方法和能力保護設計原則,實現了和國際先進水平的接軌。本文分別從橋梁抗震設防標準、橋梁延性抗震設計和能力保護設計等幾個主要方面進行了簡單地論述,其實為拋磚引玉,以利于對新規范的理解和掌握。

[1]JTJ 004-89,公路工程抗震設計規范[S].

[2]JTG/T B02-01-2008,公路橋梁抗震設計細則[S].

[3]范立礎.橋梁抗震[M].上海:同濟大學出版社,1997.