公路桥梁的防震设计

公路桥梁的防震设计（精选六篇）

公路桥梁的防震设计 篇1

1 桥梁的震害原因分析

地震对公路桥梁的破坏主要有以下方面: (1) 地震位移造成的梁式桥梁上部活动节点处因盖梁宽度设置不足导致落梁或梁体相互磁撞引起的破坏, 而对拱式结构则主要表现在拱上建筑和腹拱的破坏, 拱圈在拱顶、拱脚产生的破损裂缝, 甚至整个隆起变形。 (2) 由于地基土的地震液化影响, 加大了地震位移的影响, 进而放大了结构的振动反应, 使落梁的可能性增大。当采用排架桩基础时, 则使桩基的承载力降低, 从而造成与地震反应无关的过大的竖向和横向位移, 而简支梁桥对此尤为明显。另外, 由于地基软弱, 地震时当部分地基液化失效后引起了结构物的整体倾斜, 下沉等严重变形, 进而导致结构物的破坏, 震害较重。 (3) 支座破坏, 在地震力的作用下, 由于支座设计没有充分考虑抗震要求, 构造上连接与支挡等构造措施不足, 或由于某些支座型式和材料上的缺陷等因素, 导致了支座发生过大的位移和变形, 从而造成如支座锚固螺栓拔出、剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏等, 并由此导致结构力的传递形式的变化, 进而对结构的其他部位产生不利的影响。 (4) 软弱的下部结构破坏, 即由于桥梁下部结构不足以抵抗其自身的惯性力和支座传递的主梁的地震力, 导致结构下部的开裂、变形和失效, 甚至倾覆, 并由此引起全桥的严重破坏。 (5) 在松软地基上的桥梁, 特别是特大桥、大中桥, 地震时往往发生河岸滑移, 使桥台向河心移动, 导致全桥长度的缩短, 这类震害是比较严重的。 (6) 桥梁结构的震害还表现在如结构构造及连接不当造成的破坏、桥台台后填土位移过大造成桥台沉降或斜度过大造成桥墩台承受过大的扭矩而引起的破坏等多种原因。

2 公路桥梁抗震设防原则

按照国际通行的要求, 公路桥梁防震应达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的标准。我国也已新颁布了《公路桥梁抗震设计细则》 (JTG/TB02-01-2008) , 对公路桥梁防震设计提出了新的规范。要确保公路桥梁在经受地震时达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的标准, 必须进一步明确抗震设防的原则。

2.1 体系的整体性和规则性原则

桥梁的整体性要好, 上部结构应尽可能是连续的。整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被振散掉落, 同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面或立面上, 结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规整, 避免突然变化。

2.2 能力设计原则

能力设计思想强调强度安全度差异, 即在不同构件 (延性构件和能力保护构件——不适宜发生非弹性变形的构件统称为能力保护构件) 和不同破坏模式 (延性破坏和脆性破坏模式) 之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异, 确保结构在大地震下以延性形式反应, 不发生脆性的破坏模式。在我国建筑抗震设计中, 普遍采用“强柱弱梁, 强剪弱弯, 强节点弱构件”的设计思想, 这种思想即能力设计原则的具体体现。

2.3 多道抗震设防原则

所谓多道抗震设防, 是指在一个抗震结构体系中, 一部分延性好的构件在地震作用下, 首先达到屈服, 充分发挥其吸收和耗散地震能量的作用, 即负担起第一道抗震防线的作用, 其他构件则在第一道抗震设防屈服后才依次屈服, 从而形成第二道、第三道或更多道抗震防线, 这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。例如建筑结构中, 框架剪力墙结构, 剪力墙是第一道抗震防线, 框架是第二道抗震防线。应力图使桥梁具有多道抵抗地震侧向力的体系, 则在强地震动过程中, 一道防线破坏后尚有第二道防线可以支承结构, 避免倒塌。因此, 超静定结构优于同种类型的静定结构。

3 桥梁的抗震设计方法和抗震要点

3.1 桥梁抗震的设计方法

当前, 比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几种。 (1) 采用隔震支座。大量的试验和理论分析都表明其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响, 在梁体与墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。 (2) 采用隔震支座和阻尼器相结合的系统, 利用桥墩在地震作用下发生弹塑性变形耗散地震能量以达到减震的目的。 (3) 利用桥墩延性减震。桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性, 以便在强震作用下使这些部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期、耗散地震能量。 (4) 采用减震的新结构。型钢混凝土结构是在混凝土上包裹型钢做成的结构。它与钢筋混凝土结构相比具有一系列优点, 其承载力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件承载力一倍以上, 具有较好的抗剪能力, 延性比明显高于钢筋混凝土结构, 滞回曲线较为饱满, 耗能能力有显著的提高, 从而呈现出良好的抗震性能。能够隔离、吸收和耗散地震能量, 同时可以节约材料, 降低造价。

3.2 减震设计中的要点

(1) 结构的刚度对称有利于抗震, 不等跨的桥梁容易发生震害。特别是一座桥内墩身高度相差过大, 在较矮的桥墩上会产生很大的地震水平力, 跨径不同。在大跨径的桥孔的桥墩上也产生大的地震力。设计上尽量避免在高烈度区采用这种桥型, 如无法避免。宜在不利墩上设置消能措施降低墩顶集成刚度, 例如设抗震支座等。 (2) 斜桥的抗震性能较差。由于斜桥的抗推刚度非常大, 在高烈度区, 相应于桥墩的基本周期动力放大系数也非常大, 这导致地震效应扩大。另外, 在桥台处, 地震时河岸不稳, 易向河心滑移, 使桥长缩短, 桥孔发生错动或扭转, 造成墩台身开裂或折断。建议如地基条件允许, 台身可作成T型或U型这类整体性强、抗扭刚度大的, 或采用埋置式。如在松软的地基上, 桥梁宜正交, 并适当增加桥长, 使桥台放在稳定的河岸上。 (3) 在可能发生地震液化的地基上建桥时, 应采用深基础, 使桩或沉井穿过可能液化的土层埋入较稳定密实的土层内。 (4) 采用浅基的小桥和通道应加强下部的支撑梁板或做满河床铺砌。使结构尽量保持四铰框架的结构, 防止墩台在地震时滑移。 (5) 在高烈度区的大跨径桥梁, 纵向梁间设置消能设施, 消能设施应有足够的强度, 并能满足梁端位移要求。此外, 为防止发生落梁, 应加强上、下部结构之间的联系。桥梁的支座锚栓、销钉、剪力键等应有足够的强度。

摘要：防震设计是我国公路桥梁设计的重要内容。本文在分析公路桥梁震害原因的基础上, 阐述了公路桥梁防震设计的原则、方法和桥梁防震的有效措施。

关键词：公路桥梁,建筑设计,防震分析

参考文献

[1]宋晓凯.桥梁抗震设计[J].山西建筑, 2007, 6.

[2]乔东华, 王磊.桥梁结构抗震分析方法研究[J].山西科技, 2007, 1.

[3]范立础.桥梁延性抗震设计[M].北京:人民交通出版社, 2001.

防震教学设计 篇2

【教学目标】

知识与技能： 地震时应就近躲避，听从老师指挥，正确寻找防震地点，通过演习，训练教师和学生在地震的状况下有序地通过安全疏散通道。

过程与方法： 通过防震演练，学习地震时保护自己的方法，教育学生遇到地震时能听从老师的指挥，作出基本的自救行为。

情感、态度、价值观： 通过学习地震时保护自己的方法，提高积极应对危险和解决困难的能力，培养学生防震减灾的安全意识和自我保护能力。【教学重点】 学会地震时快速正确寻找防震地点。【教学难点】 学会地震时快速正确寻找防震地点。【教学准备】

1、影视资料；多媒体课件。

2、学生和教师共同收集报刊、杂志中有关汶川地震的资料或图片。

3、知道地震中自救的基本常识。【教学过程】

一、创设情景：防震演练 创设地震的突然发生的情景，模拟防震。

1、地震发生时，如果你在家里，究竟要不要从房子往外跑？

2、地震发生时，究竟要不要躲在桌子底下？

二、学校中的防震

1、地震时听从老师的指挥，不慌不乱

2、地震发生时，在教室里，可以躲避在课桌下，讲台旁，楼房内的学生可到开间小、有管道支撑的房间里，决不可让学生乱跑跳楼。

3、地震时正在上课，要在教师指挥下迅速抱头、闭眼、躲在各自的课桌下。

4、在操场或室外时，可原地不动蹲下，双手保护头部。注意避开高大建筑物或危险物，不要回到教室去。震后应当沉着指挥学生有秩序地撤离。教师根据生活实际给予指导。

三、家中的防震

1、室内较安全的避震地点

牢固的桌下或床边；

低矮、牢固的家具旁； 内承重墙墙角；

震前准备的避震空间。

小而有支撑物的空间，如卫生间等；

2、震时要注意

千万不要滞留在床上；

千万不能跳楼；

不要到阳台上、楼梯上去；

不要到外墙边或窗边去；

四、公共场所中的防震

1、当我们在道路、户外等公共场所突遇地震时，应迅速离开各种高大的危险物，如：有玻璃墙的建筑、天桥、立交桥、广告牌、电线杆等，选择开阔地蹲下或趴下，以免摔倒。

2、如在电影院、体育馆、商场等室内公共场所，要听从现场工作人员指挥，不要盲目涌向出口，尽可能避开人流。同时注意吊灯、电扇等悬挂物，尽快选择结实的柜台、墙角处蹲下。

五、小结 学校中地震时要听从老师的指挥，寻找有利的防震地点。

板书设计：

如何防震

1、学校中的防震

听从指挥：疏散

避震：寻找最有利的地点：课桌下、开阔处……

2、家中的防震

公路桥梁的防震设计 篇3

关键词:等效线性模型高速公路软基震陷

坐落在软土上的建筑物在地震荷载作用下，瞬时出现突发性超量沉降，以及不均匀沉降，即震陷。震陷是主要的地基震害之一，大多数震陷来自砂土液化和粘土软化。关于软粘土震陷的原因、影响因素和估算方法，迄今为止研究得还很不够。但在1976年唐山地震中，许多软粘土地基上的建筑物出现了大面积显著震陷，比如，天津塘沽新港地区饱和软粘土上一些建筑物发生的震陷达到30cm;另据报道瓦拉斯港和蒙特港之间一段高为112m、长约45712m的公路填土，因建筑在沼泽区，在1960年智利地震中全遭破坏;更有甚者，在1940年的埃尔森特罗地震中，填筑在墨西哥北部运河边上的一段高约211m的河堤全部沉陷到下卧的软弱地基中了。这就引起了工程界的广泛重视，也加速了对软粘土震陷问题的研究。

震陷的问题属于土体永久变形研究的范畴，这种变形分析的基本假定是将土体作为连续介质处理，现已提出了软化模量法和等价结点力法二种方法。前者认为地震作用下土体的静剪切模量降低，使用地震前后的剪切模量进行两次静力计算，得到竖向位移，其差为震陷;后者则需寻求动荷载作用下残余剪应变的各种经验公式，通过对地震期间每个时段的静、动力反应分析来计算地震永久变形，有利于研究地震发展过程的优点。由于残余剪应变经验公式的确定涉及到不同土性在一定的静应力条件下受到不同动应力作用时所产生的复杂反应，因此，宜通过试验获得。

1、土体静动力反应分析

依据室内试验的成果和参照土性相近土层的数据，运用经典的邓肯—张模型对土体进行静力非线性分析，通过静力有限元计算，可以得到土体内的初始法向应力σv和初始剪应力比α=τ0/σv 两个对土体动力特性有重要影响的因素(τ0为初始剪应力)。地基在强震作用下，土体一般都具有非线性的应力应变关系，但若完全依据土体的非线性进行反应分析，工作量势必很大，实际上不采用。曾用两个基于非曼辛准则的土动弹塑性模型对地震荷载的情况进行了土体反应分析，并与通常采用的等效线性模型作了比较。结果表明，二种模型的结果是相近的。故本文拟采用等效线性模型。

地震作用下，土体中产生的孔隙水压力是影响其变形的重要因素，依据合适的孔压发展规律，进行有效应力动力反应分析，无疑会得到比较真实的结论。由于地震持续时间很短，地震期间饱和软粘土中孔压上升很不明显，在循环单剪试验中也测不出粘土试样中的孔压，故籍助于Seed、Chang等提出的经典砂土类的孔压增长模式得到:u/uf=1/2+1/πsin-1[{N/N503}1/3-1]其中，N与N350分别表示加荷周数与孔隙水压力达到0.5倍破坏孔隙水压力时的加荷周数;土性参数α=2.25-2.53*50%/(1+kc)Dr，kc、Dr分别为固结应力比与相对密实度，依据几何关系，此处α可修正为:

α=2.25-2.53(1+e)/2(1+kc)

其中，e为孔隙比，本文实例中取11807;而对于正常固结的软粘土来说，破坏时孔压uf可改为:

uf=σe[(kc+1)/2-(kc-1)/2*(sinφcu+cosφcucotφd)]

其中，σ3为侧向固结压力;φcu、φd分别为固结不排水剪与固结排水剪内摩擦角，本文实例中分别取为15.3°与28.9°。

通过非线性的有效应力动力反应分析，运用等价结点力得出的震陷值比总应力分析方法稍小，对工程来说是可行且偏于经济的。

2、模型计算参数

地震作用前，土体呈固结排水状态，其静力计算邓肯-张模型参数可由三轴排水剪试验得到。

共振柱试验和循环单剪试验可分别确定土体在小应变和大应变下的剪切模量G与阻尼比D，查取该试验关系曲线可得到程序计算中所需要的软土动力特性参数。

等价结点力法认为地震力对变形的影响可用一组作用在单元上的静结点力代替，地震永久变形就等于在该结点力作用下产生的附加变形。我国学者大都采用这一方法，该方法通过地震动应力分析和土体动力特性试验来确定土体单元的应变势，但这种应变势并不是单元的实际应变，为了使各单元产生真实的应变，需要设法在单元结点上施加一种等价结点力。

用等价结点力法计算时，首先要根据固结排水试验和固结不排水试验分别确定地震前后土体的本构关系，由静力分析得到构筑物各单元的主应力差，作为地震时的初始应力差，以及依据动力反应分析和室内震陷试验确定的应变势，得到相应的主应力差增量Δσd。因为构筑物在地震时的变形以水平剪切分量为主，从而近似地认为水平(竖向)剪应力增量为最大剪应力增量，即主应力差增量的一半，Δτxy=Δτmax=1/2Δσd。当单元足够小时，可认为应力分布均匀，从而水平、竖向的等价结点力分别为Fh=ΔτxyLh/2=1/4ΔσdLh，Fv =ΔτxyLv/2=1/4Δσd Lv(Lh、Lv分别为单元的水平、竖向边长)。

谷口等曾给出了一种在初应力条件q0/p0下残余剪应变γR 与动、静应力幅值之间的经验关系:

q/p′0=γR/（a+bγR）+q0/p′0

其中q=q0+qd

q0=1/2(σ′10-σ′30 )

qd=τd=σd/2

p′0=1/2(σ′10+σ′30 )

式中，σ′10、σ′30為初始有效主应力;σd为动应力幅值;a、b为试验常数。其中，因地震作用期间饱和软粘土孔隙水压力的不确定性及试验的难度，故采用循环三轴试验结果来近似。

这种方法认为，由土体动力反应分析得出的动应力确定等价结点力后，将土体静力计算结束时的模量作为初始剪切模量，形成刚度矩阵，计算各单元的动位移、动应变、动应力，再依据该动应力- 残余剪应变关系，求出新的剪切模量，通过迭代运算，使得前后两次计算出的剪切模量足够接近，则认为此时的剪切模量为所求的动剪切模量，而由单元的残余剪应变就可求出地震永久变形。

3、结论

1)路堤高度、软土的动模量系数与饱和重度、竖向与水平向地震加速度放大系数之比和水平向地震系数等5个因素对路堤软基震陷变形有显著的影响，回归分析关系，与竖向、水平向地震加速度放大系数之比、水平向地震系数呈指数关系。

浅谈公路桥梁的防震设计 篇4

1 桥梁震害及其成因

国内外对地震后桥梁震害的调查统计资料表明, 桥梁的震害一般集中在桥梁墩台沉降、滑移、倾斜及开裂, 上部落梁, 支座倾倒及锚栓剪断等方面。具体情况为: (1) 墩台沉降、滑移、倾斜及开裂:桥梁墩台的下沉、滑移及倾斜震害, 一般发生在软土或可能液化的地基土上。基础液化使承载力降低, 引起基础下沉, 同时液化又使液化层剪切强度大大降低, 墩台受静土压力和地震土压力的作用而沿液化层产生滑移和旋转。 (2) 下部结构的开裂及折断:在墩柱靠近盖梁的顶部或靠近承台底部, 特别容易出现环裂、断裂及露筋等现象。引起下部结构震害的原因是由于结构的薄弱环节强度不足和在地震力作用下容易产生应力集中的部位强度不足。 (3) 支座倾倒及锚栓剪断:支座的震害是由于上部结构过大的地震力所造成, 控制了上部结构的地震力, 这类震害就可避免。 (4) 落梁:地震时上部结构从下部结构上滑落是常见, 也是最重要的震害, 主要发生在顺桥向。引起落梁的原因是下部结构及上部结构振动位移的失控。

2 抗震设计原理

根据《公路桥梁抗震细则》的要求, 抗震结构的设计原理采用极限状态法。地震荷载的计算方法, 一般情况下桥墩应采用反应谱理论计算, 桥台采用静力法。

2.1 桥台水平地震荷载计算

其中:Ehau为作用于台身重心处的水平地震作用力 (kN) ;Gau为基础顶面以上台身的重力 (kN) ;Ci为重要性修正系数;Cz为综合影响系数;Kh为水平地震系数。

2.2 地震时作用于台背的主动土压力计算

式中:Eea为地震时作用于台背每延米长度上的主动土压力 (kN/m) , 其作用点为距台底0.4H处;γ为土的容重 (kN/m3) ;H为台身高度 (m) ;KA为非地震条件下作用于台背的主动土压力系数, 计算公式为KA=cos2φ/ (1+sinφ) 2;φ为台背土的内摩擦角 (°) ;Cz为综合影响系数, 取0.35。

2.3 顺桥向桥墩地震力计算

根据《公路工程抗震设计规范》, 因为全联均采用同类型板式橡胶支座, 而且桥面连续, 顺桥向具有足够强度的抗震联结措施, 水平地震荷载可简化为以下两部分来计算:

(1) 上部结构对板式橡胶支座顶面处产生的水平地震荷载。

式中:Eihs为上部结构对i号墩板式橡胶支座顶面处产生的水平地震荷载 (kN) ;Kitp为第i号墩组合抗推刚度 (k N/m) Kitp=KisKip/ (Kis+Kip) ;Kis为第i号墩板式橡胶支座抗推刚度 (kN/m) ;Kip为第i号墩墩顶抗推刚度 (kN/m) ;β1为相应于桥墩顺桥向基本周期动力放大系数;Gsp为一联上部结构的总重力 (kN) 。

(2) 柔性墩由墩身自重在板式支座顶面的水平地震荷载。

式中:Gtp为桥墩对板式橡胶支座顶面处的换算质点重力 (kN) , Gtp=Gcp+ηGp, Gcp为盖梁重力 (kN) ;Gp为墩身重力 (kN) ;η为墩身重力换算系数;

为考虑地基变形时, 顺桥向作用于支座顶面上的单位水平力在墩身计算高度H/2处引起的水平位移与支座顶面处的水平位移之比值。

3 公路桥梁抗震设计主要措施

(1) 抗震挡块:为防止落梁或主梁错位, 设置了:当桥面横坡小于4%时, 在桥墩台处每一片梁的两侧均设置了顺桥向抗震挡块, 高度60cm、顶宽45cm、底宽60cm;当桥面横坡大于等于4%时, 在桥墩台处每一片梁的两侧均设置了横桥向抗震挡块, 高度60cm、顶宽45cm、底宽75cm, 这种情况除了防止落梁, 还有效抵抗桥面横坡过大而造成的离心力。 (2) 减震橡胶:梁与梁之间、梁与桥台背墙挡块之间设置了20x20x3cm橡胶减震块作为缓冲设施, 以缓冲地震时结构位移产生的撞击力, 避免撞击力过大对梁体造成破坏。 (3) 抗震锚栓:在主梁梁端支座中间设置抗震锚栓, 各梁均设置, 锚栓采用直径32mm圆钢, 外设钢套筒, 钢套筒内采用沥青膏充填。此措施有效抵消了地震时产生的横向力, 防止主梁从支座上滑落。 (4) 抗震拉杆:在相邻两片梁的伸缩端和梁端与背墙之间设置抗震拉杆, 拉杆采用直径40mm圆钢, 以防止落梁破坏, 这种抗震措施成本最低, 但是效果非常明显。此措施有效加强上部结构和下部结构的联系, 以抵抗竖向加速度, 防止上部结构构件从支座上滑落。 (5) 塑性铰加密区:对墩柱的设计我们采用了塑性铰加密区, 在墩柱靠近盖梁的顶部和靠近地系梁底部增设了塑性铰, 提高了墩柱的含筋量, 防止墩柱出现环裂、断裂等现象。

除以上措施外, 还采取了一些抗震措施:在桩顶和柱顶等结构的薄弱环节处设箍筋加密段;加强盖梁的配筋, 提高盖梁的抗剪强度。除此外, 给予以下建议:

(1) 高速公路是国家运输的动脉, 桥梁是路线的重要组成部分, 是交通线上的关键工程。因此桥梁的抗震设计是非常重要且不容忽视的。 (2) 同建筑结构相比, 桥梁对于结构和土共同作用的影响更为敏感, 所以在桥梁的抗震设计中不但要减少结构对动力敏感的薄弱环节, 适当增加结构的延性, 加强施工质量管理;而且要在设计过程中引进动力优化设计概念, 将一座桥作为整体结构, 通过优化分析, 选择合理的桥跨布置及墩台高度和刚度, 达到结构整体对地震响应最小。 (3) 近几十年来, 世界上许多国家广泛开展了桥梁结构抗震措施的研究, 并在实际应用中取得了较大的成果。其中隔震技术的应用是较为理想的抗震措施之一。隔震提供给设计者一个可替代延性设计的方法, 使所设计的结构既能满足正常使用的功能, 又能抵御地震灾害的袭击, 取得较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]中华人民共和国交通部.JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震细则.北京:人民交通出版社, 2008.

[2]中华人民共和国建筑工业部.GBJ11-89建筑抗震设计规范.北京:中国建筑工业出版社, 1990.

公路桥梁的防震设计 篇5

震陷的问题属于土体永久变形研究的范畴, 这种变形分析的基本假定是将土体作为连续介质处理, 现已提出了软化模量法和等价结点力法二种方法。前者认为地震作用下土体的静剪切模量降低, 使用地震前后的剪切模量进行两次静力计算, 得到竖向位移, 其差为震陷;后者则需寻求动荷载作用下残余剪应变的各种经验公式, 通过对地震期间每个时段的静、动力反应分析来计算地震永久变形, 有利于研究地震发展过程的优点。由于残余剪应变经验公式的确定涉及到不同土性在一定的静应力条件下受到不同动应力作用时所产生的复杂反应, 因此, 宜通过试验获得。

1 土体静动力反应分析

依据室内试验的成果和参照土性相近土层的数据, 运用经典的邓肯-张模型对土体进行静力非线性分析, 通过静力有限元计算, 可以得到土体内的初始法向应力σv和初始剪应力比α=τ0/σv两个对土体动力特性有重要影响的因素 (τ0为初始剪应力) 。地基在强震作用下, 土体一般都具有非线性的应力应变关系, 但若完全依据土体的非线性进行反应分析, 工作量势必很大, 实际上不采用。曾用两个基于非曼辛准则的土动弹塑性模型对地震荷载的情况进行了土体反应分析, 并与通常采用的等效线性模型作了比较。结果表明, 二种模型的结果是相近的。故本文拟采用等效线性模型。

地震作用下, 土体中产生的孔隙水压力是影响其变形的重要因素, 依据合适的孔压发展规律, 进行有效应力动力反应分析, 无疑会得到比较真实的结论。由于地震持续时间很短, 地震期间饱和软粘土中孔压上升很不明显, 在循环单剪试验中也测不出粘土试样中的孔压, 故籍助于Seed、Chang等提出的经典砂土类的孔压增长模式得到:

其中, N与N350分别表示加荷周数与孔隙水压力达到0.5倍破坏孔隙水压力时的加荷周数;土性参数α=2.25-2.53*50%/ (1+kc) Dr, kc、Dr分别为固结应力比与相对密实度, 依据几何关系, 此处α可修正为:

其中, e为孔隙比, 本文实例中取11807;而对于正常固结的软粘土来说, 破坏时孔压uf可改为:

其中, σ3为侧向固结压力;φcu、φd分别为固结不排水剪与固结排水剪内摩擦角, 本文实例中分别取为15.3°与28.9°。

通过非线性的有效应力动力反应分析, 运用等价结点力得出的震陷值比总应力分析方法稍小, 对工程来说是可行且偏于经济的。

2 模型计算参数

地震作用前, 土体呈固结排水状态, 其静力计算邓肯-张模型参数可由三轴排水剪试验得到。

共振柱试验和循环单剪试验可分别确定土体在小应变和大应变下的剪切模量G与阻尼比D, 查取该试验关系曲线可得到程序计算中所需要的软土动力特性参数。

用等价结点力法计算时, 首先要根据固结排水试验和固结不排水试验分别确定地震前后土体的本构关系, 由静力分析得到构筑物各单元的主应力差, 作为地震时的初始应力差, 以及依据动力反应分析和室内震陷试验确定的应变势, 得到相应的主应力差增量Δσd。因为构筑物在地震时的变形以水平剪切分量为主, 从而近似地认为水平 (竖向) 剪应力增量为最大剪应力增量, 即主应力差增量的一半, Δτxy=Δτmax=1/2Δσd。当单元足够小时, 可认为应力分布均匀, 从而水平、竖向的等价结点力分别为Fh=ΔτxyLh/2=1/4Δσd Lh, Fv=ΔτxyLv/2=1/4Δσd Lv (Lh、Lv分别为单元的水平、竖向边长) 。

谷口等曾给出了一种在初应力条件q0/p′0下残余剪应变γR与动、静应力幅值之间的经验关系:

其中q=q0+qd

式中, σ′10、σ′30为初始有效主应力;σd为动应力幅值;a、b为试验常数。其中, 因地震作用期间饱和软粘土孔隙水压力的不确定性及试验的难度, 故采用循环三轴试验结果来近似。

这种方法认为, 由土体动力反应分析得出的动应力确定等价结点力后, 将土体静力计算结束时的模量作为初始剪切模量, 形成刚度矩阵, 计算各单元的动位移、动应变、动应力, 再依据该动应力-残余剪应变关系, 求出新的剪切模量, 通过迭代运算, 使得前后两次计算出的剪切模量足够接近, 则认为此时的剪切模量为所求的动剪切模量, 而由单元的残余剪应变就可求出地震永久变形。

3 结论

3.1路堤高度、软土的动模量系数与饱和重度、竖向与水平向地震加速度放大系数之比和水平向地震系数等5个因素对路堤软基震陷变形有显著的影响, 回归分析关系, 与竖向、水平向地震加速度放大系数之比、水平向地震系数呈指数关系。

3.2地震对路堤的作用体现在震级、历时与频谱三方面, 三者的综合效应表现为地震的烈度, 正是由于地震动参数的多元性, 在地震时程曲线形状相似、历时相等时, 使得震陷量与地震的峰值加速度并非成简单的线性增长关系, 而是开始增加很快, 然后增加渐缓, 当震陷达到极大值后反而会稍微减小。基于等价结点力总应力法计算了最大地震加速度、历时与地震时程曲线形状均不同的二种人造地震波和1940年埃尔森特罗地震波作用下路堤的震陷, 结果表明, 频谱对震陷变形的影响较大。

摘要：在公路建设中, 为了预防或降低震陷的危害, 除了加强抗震设施外, 通过数值计算来估算震陷量, 具有一定的社会效益与经济效益。通过有效应力等效线性动力反应分析, 运用等价结点力法分析了高速公路软粘土路基震陷随地震最大加速度的变化趋势, 建立了震陷同路堤高度、软土动模量系数、饱和重度、遭遇的竖向与水平向地震加速度放大系数之比和水平向地震系数等因素的相关关系式。

公路桥梁的防震设计 篇6

震陷的问题属于土体永久变形研究的范畴, 这种变形分析的基本假定是将土体作为连续介质处理, 现已提出了软化模量法和等价结点力法二种方法。前者认为地震作用下土体的静剪切模量降低, 使用地震前后的剪切模量进行两次静力计算, 得到竖向位移, 其差为震陷;后者则需寻求动荷载作用下残余剪应变的各种经验公式, 通过对地震期间每个时段的静、动力反应分析来计算地震永久变形, 有利于研究地震发展过程的优点。由于残余剪应变经验公式的确定涉及到不同土性在一定的静应力条件下受到不同动应力作用时所产生的复杂反应, 因此, 宜通过试验获得。

1 土体静动力反应分析

依据室内试验的成果和参照土性相近土层的数据, 运用经典的邓肯-张模型对土体进行静力非线性分析, 通过静力有限元计算, 可以得到土体内的初始法向应力σv和初始剪应力比α=τ0/σv两个对土体动力特性有重要影响的因素 (τ0为初始剪应力) 。地基在强震作用下, 土体一般都具有非线性的应力应变关系, 但若完全依据土体的非线性进行反应分析, 工作量势必很大, 实际上不采用。曾用两个基于非曼辛准则的土动弹塑性模型对地震荷载的情况进行了土体反应分析, 并与通常采用的等效线性模型作了比较。结果表明, 二种模型的结果是相近的。故本文拟采用等效线性模型。

地震作用下, 土体中产生的孔隙水压力是影响其变形的重要因素, 依据合适的孔压发展规律, 进行有效应力动力反应分析, 无疑会得到比较真实的结论。由于地震持续时间很短, 地震期间饱和软粘土中孔压上升很不明显, 在循环单剪试验中也测不出粘土试样中的孔压, 故籍助于Seed、Chang等提出的经典砂土类的孔压增长模式得到:

其中, N与N350分别表示加荷周数与孔隙水压力达到0.5倍破坏孔隙水压力时的加荷周数;土性参数α=2.25-2.53*50%/ (1+kc) Dr, kc、Dr分别为固结应力比与相对密实度, 依据几何关系, 此处α可修正为:

其中, e为孔隙比, 本文实例中取11807;而对于正常固结的软粘土来说, 破坏时孔压uf可改为:

其中, σ3为侧向固结压力;φcu、φd分别为固结不排水剪与固结排水剪内摩擦角, 本文实例中分别取为15.3°与28.9°。

通过非线性的有效应力动力反应分析, 运用等价结点力得出的震陷值比总应力分析方法稍小, 对工程来说是可行且偏于经济的。

2 模型计算参数

地震作用前, 土体呈固结排水状态, 其静力计算邓肯-张模型参数可由三轴排水剪试验得到。

共振柱试验和循环单剪试验可分别确定土体在小应变和大应变下的剪切模量G与阻尼比D, 查取该试验关系曲线可得到程序计算中所需要的软土动力特性参数。

等价结点力法认为地震力对变形的影响可用一组作用在单元上的静结点力代替, 地震永久变形就等于在该结点力作用下产生的附加变形。我国学者大都采用这一方法, 该方法通过地震动应力分析和土体动力特性试验来确定土体单元的应变势, 但这种应变势并不是单元的实际应变, 为了使各单元产生真实的应变, 需要设法在单元结点上施加一种等价结点力。

用等价结点力法计算时, 首先要根据固结排水试验和固结不排水试验分别确定地震前后土体的本构关系, 由静力分析得到构筑物各单元的主应力差, 作为地震时的初始应力差, 以及依据动力反应分析和室内震陷试验确定的应变势, 得到相应的主应力差增量Δσd。因为构筑物在地震时的变形以水平剪切分量为主, 从而近似地认为水平 (竖向) 剪应力增量为最大剪应力增量, 即主应力差增量的一半, Δτxy=Δτmax=1/2Δσd。当单元足够小时, 可认为应力分布均匀, 从而水平、竖向的等价结点力分别为Fh=ΔτxyLh/2=1/4Δσd Lh, Fv=ΔτxyLv/2=1/4Δσd Lv (Lh、Lv分别为单元的水平、竖向边长) 。

谷口等曾给出了一种在初应力条件q0/p′0下残余剪应变γR与动、静应力幅值之间的经验关系:

其中q=q0+qd

式中, σ′10、σ′30为初始有效主应力σd为动应力幅值;a、b为试验常数。其中, 因地震作用期间饱和软粘土孔隙水压力的不确定性及试验的难度, 故采用循环三轴试验结果来近似。

这种方法认为, 由土体动力反应分析得出的动应力确定等价结点力后, 将土体静力计算结束时的模量作为初始剪切模量, 形成刚度矩阵, 计算各单元的动位移、动应变、动应力, 再依据该动应力-残余剪应变关系, 求出新的剪切模量, 通过迭代运算, 使得前后两次计算出的剪切模量足够接近, 则认为此时的剪切模量为所求的动剪切模量, 而由单元的残余剪应变就可求出地震永久变形。

3 结论

3.1 路堤高度、软土的动模量系数与饱和重度、竖向与水平向地震加速度放大系数之比和水平向地震系数等5个因素对路堤软基震陷变形有显著的影响, 回归分析关系, 与竖向、水平向地震加速度放大系数之比、水平向地震系数呈指数关系。