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桥梁抗震设计研究
收录时间:2022-11-25 22:57:44  浏览:0
中国高新技术企业 桥 梁 抗 震 设 计 研 究 文 杨建 摘 要 本文介绍了目前用于桥梁抗震设计的主要设计方法 并通过对其各自理论根源的分析 详细介绍 了各种方法的优缺点和使用条件 为在今后的抗震设计中选择合适的设计方法提供了依据 关键词 桥梁抗震设计强度位移性能概率性 在吸取震害经验教训的基础 上 随 着 对 地 震 产 生 的 机 理 地 震 动 特 性 以 及 地 震 作 用 下 结 构 动 力 响 应 特 点 破 坏 机 理 构 件 能 力 的 研究及认识的深入发展 桥梁抗震设计方法也得 到 极 大 的 发 展 当 前的桥梁结构抗震设计方法主要有基于强度 基于位移 基于能量 基于性能和概率性抗震分析方法 1 基于强度的设计方法 基于强度的设计方法包括 静力法 反应谱法 时程分析法 静力法始创于意大利 发展于日本 1 9 0 0年大森房吉提出了***烈 度表的概念 静力等效水平最大加速度a m a x作为***烈度的绝对指 标 提出结构物所受***力F可写为如下形式 F a m a xW g k w 式 中W为 结 构 物 各 部 分 重 量 K为 地 面 运 动 加 速 度 峰 值a m a x 与重力加速度g的比值 称为***系数 该法假设结构物各部分与 ***动具有相同的振动规律 结构因***力引起的惯性力等于地面 运 动 加 速 度 与 结 构 总 质 量 的 乘 积 以 此 惯 性 力 作 为 静 力 施 加 于 结 构 进行结构线弹性静力分析 从动力学理论看 该法的***在于 忽略了结构物本身的动力特性 只有当结构近似 于 刚 体 时 弹 性 静 力法才能近似成立 反应 谱 法 则 考 虑 了 结 构 动 力 特 性 与 地 震 动 特 性 之 间 的 动 力 关 系 又保持了原有静力理论的形式 该方法早在6 0年代就广泛为各 国规范所采用 而且至今仍然是我国和世界上许 多 国 家 结 构 抗 震 设 计规范中***作用计算的理论基础 V0 K T w 式中 T 为加速度反应谱S a T 与***动最大加速度 之 比 表 示结构物加速度放大倍数 基于弹性假设的反应谱是一种拟动力分析方法 能反应***动 强度和平均频谱特性 但是难以反应结构开裂后 进 人 非 弹 性 阶 段 的 特性 上世纪6 0年代计算机和实验技术的发展 使人们对各类结构 物在***动作用下的线性 非线性反应全过程有 较 多 了 解 人 们 通 过对结构的运动微分方程进行积分 当确定了地 震 时 的 地 面 运 动 加 速 度 曲 线 性X g T 时 可 以 求 得 地 震 过 程 中 每 一 时 刻 的 结 构 地 震 反 应 动态时程分析法可以精确的考虑结构 土和 深 基 础 之 间 的 相 互 作 用 以 及 地 震 波 相 位 差 和 不 同 地 震 波 分 量 和 多 点 输 入 等 因 素 的 影 响 建立结构动力计算图式和相应的***振动方程 建立在计算机程序分析基础上的非线性时程分析法 是目前评 价桥梁***行为中相对而言最成熟 最完善的方 法 但 是 该 方 法 在 现有桥梁抗震性能评价的应用中还是存在着一些问题 非线性时程 分析方法的技术复杂 计算工作量大 结果处理繁杂 并且结果的准 确性很大程度上都依赖于输人的***波 然而在 同 一 地 区 不 可 能 发 生完全相同的两次*** 所以时程分析所选用的***波实际上不能 真正反映该地区未来可能发生的***作用情况 分 析 结 果 具 有 较 大 的偶然性 2 基于性能的设计方法 随着抗震研究的发展 人们逐渐认识到强度条件并不能恰当地 估计结构的抗震能力 这是由于结构在强烈 地 震 中 往 往 会 进 入 弹 塑 性 阶 段 这 时 结 构 的 塑 性 变 形 消 耗 输 入 的 地 震 能 量 结 构 的 自 振 周 期也会随塑性变形的发展而延长 从而改变 地 震 反 应 的 特 性 结 构 是否破坏将取决于塑性变形的大小或塑性消 耗 的 能 量 不 是 或 不 完 全是取决于结构的强度 历次大***中结构特别是延性结构的破坏 实例以及***反应分析的结果均证实了上述结论 基于性能的设计方法主要包括推倒分析法 能力谱法 基于位移 的设计方法以及基于***损伤性能的设计方法等 建立在对目标位移或形成机构的思想上的塑性倒塌机构 推倒 分析 即p u s h o v e 方法 体现的是基于结构位移性能的抗震思想 因 此随着9 0年代以后 基 于 结 构 位 移 性 能 的 抗 震 设 计 的 概 念 提 出 和 广 泛接受 使得该方法得到重视和发展 推 倒 分 析 法 本 质 上 是 一 种 与 反 应 谱 相 结 合 的 静 力 弹 塑 性 分 析 法 它 是 按 一 定 的 水 平 荷 载 加 载 方 式 对 结 构 施 加 单 调 递 增 的 水 平 荷载 逐步将结构推至一个给定的目标位移 来 研 究 分 析 结 构 的 非 线 形性能 从而判断结构及构件的变形 受力是否满足设计要求 它基 于以下两个基本假定 1 结构的反应与该结构的等效单 自 由 体 系 反应相关 这表明结构的反应仅由结构的第一振型控制 2 在整个 ***反应过程中 结构的形状向量保持不变 严格的说 这两个假定 是 不 完 全 准 确 的 但 是 研 究 表 明 这 些 假 定 能 够 很 好 的 预 测 多 自 由 度体系的***反应 并且这些***反应确 实 是 由 第 一 振 型 控 制 的 其 优 点 突 出 体 现 在 与 振 型 分 解 反 应 谱 法 相 比 较 它 考 虑 了 结 构 的 弹塑性特性 与时程分析法相比较 其输人数据简单 工作量较小 在推倒分析法的基础上 发展起来一种介于结构弹塑性动力分 析和弹性动力分析之间的结构抗震性能评估法 能力谱法 属于 简化弹塑性评估方法 也有人把它归为推倒分析方法中的一部分 该法把加速度 位移格式的结构能力谱与代表***需求的反应谱 相比较 可以非常直观地评估结构的***性 能 能 力 谱 与 需 求 谱 的 交点 表示***需求 能力谱的末点表示结构的极限能力 如果结构 的能力谱穿过需求谱 即表示该结构可以抵 抗 与 需 求 谱 相 应 大 小 的 ***作用 F r e e m a n在1 9 7 5年提出能力谱的概念 并在1 9 9 3年将能力谱方 法中的需求谱表示为加速度 位移格式 A D R S 美国国家防震减 灾纲要 N E H R P 推荐该方法为评价和设计结构安全性的方法 与 以 力为基础和以位移为基础的两种抗震设计方 法 相 比 能 力 谱 方 法 的 特点是将能力和需求用位移 加速度关系图给出 表征结构性能 的4个 基 本 参 数 强 度 位 移 延 性 弹 性 刚 度 分 别 由 加 速 度S a 位 移S d 延 性 系 数u和 弹 性 周 期T表 示 能 力 需 求 图 能 清 晰 地 表 示 出 结 构 的 抗 震 能 力 与 其 地 震 响 应 的 关 系 概 念 明 确 能 力 谱 方 法 与 非 线 性 动 力 时 程 分 析 方 法 相 比 计 算 工 作 量 大 为 减 少 却 能 提 供 结 构 在给定***下的弹塑性反应 且可作为一种 简 化 分 析 工 具 应 用 于 抗 震设计 工程建设与管理 2 3 7 中国高新技术企业 上接2 2 7页 避免出现计算程序难 以 准 确 模 拟 的 结 构 图 式 建 议 跨 径 大 于1 6米 的直桥均采用预应力混凝土结构 以改善桥梁的应力状态 施 工 方 面 应 确 保 每 个 环 节 都 按 相 关 的 规 范 施 工 确 保 施 工 支 架 强 度 刚 度 满 足 规 范 要 求 注 意 大 体 积 混 凝 土 的 浇 筑 顺 序 并 选 择 合 适 的合拢时间 混凝土强度 弹性模量未达到设计要求前 确勿开放使 用 参考文献 1 范立础 桥梁工程 人民交通出版社 2 车 宏 亚 于 庆 荣 戴 自 强 钢 筋 混 凝 土 结 构 原 理 天 津 大 学 出 版 社 3 J T G D 6 2 2 0 0 4 公路钢筋混凝土及预应力混凝土 桥 涵 设 计 规 范 S 4 J T J 0 4 1 2 0 0 0 公路桥涵施工技术规范 S 5 J T J 7 7 9 8 城市桥梁设计荷载标准 S 6 J T J 0 7 1 9 8 公路工程质量检验评定标准 S 7 大跨径混凝土桥梁的试验方法 S 作者单位系中国华西工程设计建设有限公司深圳分公司 基于位移的设计方法以结构的允许位移为出发点 在 设 计 的 最 后 以 结构构件的强度进行检验 M J K ow a l s k y从单*** 度 系 统 出 发 研 究并给出了基于位移的抗震设计方法的详细步骤 并 以 地 震 区 钢 筋 混凝土桥墩为例 进行了基于位移的设计 G M C a l v ie ta l采用替代 结 构 法 把 多 自 由 度 结 构 等 效 为 一 单 自 由 度 系 统 给 出 了 多 自 由 度 桥梁结构基于位移的迭代式抗震设计方法 还以 对 称 及 不 对 称 桥 梁 为例 进行了 基 于 位 移 的 设 计 并 与E u r o c o d e 8规 定 的 基 于 力 的 设 计 方法得到的桥梁进行了比较 倪永军比较了我国主要抗震设计规范 的设计谱曲线与由E u r o c o d e 8规范所转化的 谱进行了比较 并建议 了与 谱相容的位移设计谱 ***俊青提出了一种采用非线性位移设计 谱的抗震设计方法 除 上 述 设 计 方 法 外 欧 进 萍 王 光 远 1 9 9 9 提 出 的 钢 筋 混 凝 土 结 构 基 于 地 震 损 伤 性 能 的 设 计 方 法 为 抗 震 设 计 方 法 开 辟 了 另 一 个 新的领域 近年来 ***损伤分析在抗震评估 加固以及能力设计中 的应用越来越引人注目 采用损伤指数及其数学 模 型 来 描 述 结 构 损 伤的手法 简明扼要 极具吸引力 基于***损伤性能的设计方法考 虑了大震作用下结构的最大变形和累积滞变耗能 并 且 将 性 能 目 标 量化为损伤指数 非常直观 便于为设计人员掌握 但目前这一方法 仍 处 于 框 架 阶 段 许 多 技 术 问 题 需 要 进 一 步 研 究 解 决 尤 其 是 这 一 方 法 如 何 在 桥 梁 结 构 中 应 用 以 及 其 在 不 同 性 能 目 标 下 的 损 伤 指 数 的确定 为 了 提 高 结 构 的 抗 震 性 能 1 9 9 5年 美 国 学 者B e r t e r o等 人 提 出 了基于性能的抗震设计 P B S D 思想 由于这一问题的复杂性和开放 性 迄今为止 基于性能的抗震设计仍然处于框架阶段 许多技术问 题 需 要 进 一 步 研 究 解 决 包 括 性 能 水 准 非 结 构 构 件 的 设 计 以 及 性 能目标的量化等等 P B S D的核心内容包括 提出了四种结构性能水准和***设防 水准以及三种性能目标 其特点集中体现在四个 方 面 即 建 筑 结 构 性能水准 性能目标以及设防水准的具体化 追求服务期内建筑物的 最 佳 经 济 效 益 成 本 比 提 供 最 低 性 能 目 标 要 求 强 调 业 主 参 与的个性化 重视建筑物的系统工程 结构抗震性能目标的确定 包 括选取合理的性能参数和设定预期的性能目标 是 基 于 性 能 抗 震 设 计的基础 性能目标的量化可以有多种形式 诸如位移 能量或损伤 目 标 等 地 震 损 伤 是 破 坏 结 构 使 用 功 能 和 导 致 结 构 倒 塌 的 主 要 原 因 P B S D提出的意义在于两个方面 一则强调***工程的系统性和 社会性 二则对现行抗震规范中设计原则不合理之处进行修订 3 概率性抗震分析方法及虚拟激励法 随着人们对***认识的进一步深入 由于震源与介质中许多偶 然 因 素 的 影 响 地 震 动 具 有 明 显 的 随 机 性 意 识 到 地 震 过 程 具 有 明 显的随机特征 宜将***动作为随机过程来模拟 随机反应研究的问 题是 在已知统计特征的随机干扰下 求结构体系反应的统计特征 即平均值 方差 相关函数 谱密度等 或具有给定概率的最大值 对计算出的统计特性的响应值 还需要转换 成 便 于 工 程 设 计 应 用 的 量 如位移 内力等 常用的方法有基于P o i s s o n过 程 假 定 的D a v e n p o r t法和基于M a r k o v假定的V a n m a r c k e法 功率谱法较充分地考虑了***发生的统计概率特性 是一种概 率性分析方法 功率谱法有以下几个优点 无 须 寻 找 振 型 组 合 方 法 可以直接使用峰值因子乘以计算所得 方 差 得 到 反 应 的 最 大 值 物理概念清晰 具有明确的概率意义 虽然 对 具 体 结 构 的 峰 值 因 子 确定有一定困难 但它是一个数值 确定它容易操作 何况已经建 立 了 相 应 的 理 论 计 算 方 法 对 于 不 同 的 结 构 或 构 件 也 可 以 通 过 数 值 模拟技术确定 功率谱密度只与***动过程性质相关 而与阻尼 比等结构特性无关 目 前 的 完 全 二 次 方 组 合 C Q C 等 常 用 的 反 应 谱 组 合 方 法 和 工 程 人 造 地 震 波 合 成 方 法 都 需 要 借 助 于 功 率 谱 这 一 中间环节 功率谱法在分析复杂的桥梁结构模型上 仍然受到计算方法的 困扰而在工程领域远未得到充分应用 其瓶 颈 则 是 计 算 的 复 杂 性 和 低效率 近 年 来 出 现 的 虚 拟 激 励 法 作 为 一 种 新 的 随 机 响 应 分 析 方 法 可 以对认为很困难的多点非均匀激励问题作精 确 高 效 的
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