專利名稱:高架橋下部構(gòu)造及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種高架橋,特別是涉及一種鐵路高架橋下部構(gòu)造及其設(shè)計(jì)方法。
而且,本發(fā)明涉及用于加強(qiáng)其剪切破壞優(yōu)先于彎曲破壞的RC構(gòu)件的抗震加強(qiáng)法,以抵抗地震。
而且,本發(fā)明涉及一種具有抗震性能的抗震框架結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法,特別是適用于在道路、鐵路等領(lǐng)域使用的高架橋的下部構(gòu)造的抗震框架結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù):
鐵路和運(yùn)輸工具例如汽車行駛的橋梁從狹義上講包括跨過(guò)河流、海峽等的橋梁,還包括在街道連續(xù)架設(shè)的所謂高架橋。從有效利用土地的觀點(diǎn)上講,這種高架橋在道路、鐵路或河流上空連續(xù)架設(shè),而在立體交叉的高架橋下的道路或鐵路也有助于減緩交通堵塞。
另外,在許多情況下,這種高架橋下部構(gòu)造通常構(gòu)造成鋼筋混凝土(RC)的剛性框架結(jié)構(gòu),但在設(shè)計(jì)/施工期間,地震時(shí)高架橋本身的穩(wěn)固性,以及運(yùn)輸車輛行駛的安全性必須充分的加以研究。
在這種情況下,本申請(qǐng)人等提出了這種高架橋下部構(gòu)造,減震器與支柱組件布置在鋼筋混凝土剛性框架內(nèi),已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種構(gòu)造提高了抗震性能和行駛安全性。
然而,還沒(méi)有制定任何抗震設(shè)計(jì)方法,可有效和經(jīng)濟(jì)的確??拐鹦阅芎托旭偘踩缘脑O(shè)計(jì)技術(shù)等待發(fā)展。
而且,與彎曲破壞不同,RC構(gòu)件的剪切破壞發(fā)展迅速,而且缺乏延展性,在許多情況下,對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生致命的危害。特別是,由地震荷載的作用引起的柱材料的剪切破壞在許多情況下對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大破壞,而且,對(duì)于具有小的剪跨比和其上作用有大的軸向力的短柱等來(lái)說(shuō),在大的軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的合成作用下,柱芯部的混凝土突然破壞,并且,柱快速的損失其荷載支承能力。
因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,必須防止最大程度的剪切破壞,而且,對(duì)于剪切破壞很可能先發(fā)生的當(dāng)前RC構(gòu)件來(lái)說(shuō),抗震加強(qiáng)是必須的,例如圍繞其周邊卷繞碳纖維和卷繞鋼板。
在該方法中,有可能增強(qiáng)RC構(gòu)件的剪切荷載支承能力,并防止以后發(fā)生的剪切破壞,但另一方面,由于碳纖維必須繞整個(gè)構(gòu)件長(zhǎng)度圍繞,因此,施工時(shí)間太長(zhǎng),從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看,這種抗震加強(qiáng)法不一定是最優(yōu)的。
而且,在RC剛性框架內(nèi)布置有減震器與支柱組件的高架橋的下部構(gòu)造大有前途,因?yàn)槿缟纤銎淇拐鹦阅艽蟠蠹訌?qiáng)。但是,當(dāng)鋼框架偏心支撐布置在RC剛性框架內(nèi),且減震器夾在鋼框架偏心支撐和RC剛性框架之間時(shí),而且,當(dāng)減震器具有小的允許變形量,例如滯后的剪切破壞,在大地震中,減震器首先斷裂,但仍存在一個(gè)問(wèn)題,即RC剛性框架的展延性不能有效利用。
而且,當(dāng)減震器以較小的變形斷裂時(shí),減震器或RC剛性框架的荷載支承能力必須增加,但在這種情況下,實(shí)際上需要地基和樁以增加荷載支承能力,結(jié)果,整個(gè)結(jié)構(gòu)具有大的截面,導(dǎo)致成本問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
因此,本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種高架橋下部構(gòu)造,及其設(shè)計(jì)方法,其中抗震性能和行駛安全性可有效和經(jīng)濟(jì)的得到保證。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種RC框架的抗震加強(qiáng)法,該框架中不需要更多的施工時(shí)間即可預(yù)先防止剪切破壞。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種抗震框架結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法,不需要提供具有大截面的減震器或RC剛性框架即可增強(qiáng)抗震性能。
本發(fā)明提供一種RC框架的抗震加強(qiáng)法,其步驟包括將RC構(gòu)件的主鋼筋部分切割,以便使RC構(gòu)件的破壞性能從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變成彎曲破壞優(yōu)先型。
本發(fā)明還提供一種RC框架的抗震加強(qiáng)法,其步驟包括將構(gòu)成RC剛性框架的RC柱構(gòu)件的主鋼筋的一部分切割,以便使RC構(gòu)件的破壞性能從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變成彎曲破壞優(yōu)先型;和將減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)布置在RC剛性框架的一個(gè)平面內(nèi)。
本發(fā)明還提供一種抗震框架結(jié)構(gòu),它包括一個(gè)RC剛性框架,該RC剛性框架由一對(duì)柱和一個(gè)梁組成,該對(duì)柱垂直地相對(duì)布置,該梁在柱的頂部之間伸展;一個(gè)反V形或V形偏心支柱材料,該偏心支柱材料布置在RC剛性框架的結(jié)構(gòu)平面內(nèi),其兩端與柱的中部附近銷接;和減震器,該減震器夾在反V形偏心支柱材料的上端和梁之間或者夾在V形偏心支柱材料的下端和基礎(chǔ)梁之間,該基礎(chǔ)梁用于將柱的腿部連接。
本發(fā)明還提供一種抗震框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,該抗震框架結(jié)構(gòu)包括一個(gè)RC剛性框架,該RC剛性框架由一對(duì)柱和一個(gè)梁組成,該對(duì)柱垂直地相對(duì)布置,該梁在柱的頂部之間伸展,一個(gè)反V形偏心支柱材料,該偏心支柱材料布置在RC剛性框架的結(jié)構(gòu)平面內(nèi),其兩端與柱的中部附近銷接;和減震器,該減震器夾在反V形偏心支柱材料的上端和梁之間,該方法的步驟包括通過(guò)用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧代替RC剛性框架的剛性接頭,從而獲得RC分析模型,通過(guò)用虛剛性柱和虛剛性梁代替柱和梁,使虛剛性柱與虛剛性梁銷接,并將減震器夾在虛剛性梁和偏心支柱材料的上端之間,從而獲得減震器與支柱組件分析模型,因此,通過(guò)將抗震框架結(jié)構(gòu)分解成這兩種模型,從而使抗震框架結(jié)構(gòu)模型化;設(shè)計(jì)外力P作用在抗震框架結(jié)構(gòu)上,從下列公式得到減震器與支柱組件分析模型的負(fù)荷Pdb,Pdb=(h’/h)Hb其中h表示從虛剛性柱的腿部到虛剛性梁的高度,h’表示從虛剛性柱的支柱連接位置到虛剛性梁的高度,Hb表示減震器荷載位移特征,從下列公式得到RC分析模型的負(fù)荷Prc,Prc=P-Pdb;和使Pdb作用于減震器與支柱組件分析模型,使Prc作用于RC分析模型,以單獨(dú)進(jìn)行彈塑性分析,并進(jìn)行抗震框架結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的抗震框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用的場(chǎng)所是任意的,本發(fā)明可應(yīng)用于例如建筑抗震墻壁,或者作為高架橋下部構(gòu)造的橋墩。另外,高架橋概念上包括用于鐵路,高速公路等的高架橋,無(wú)須多說(shuō),其用途是任意的。
鋼框架支柱材料主要用作偏心支柱材料。
對(duì)于減震器,通常使用由超低碳鋼、狹長(zhǎng)切口薄鋼板等構(gòu)成的滯后剪切減震器,但只要通過(guò)相對(duì)的水平變形產(chǎn)生阻尼,并且不能確保充分的變形,則可使用任何原理或結(jié)構(gòu)的減震器,還可以使用滯后彎曲減震器等。
當(dāng)偏心支柱材料的兩端釘住在柱的某些位置時(shí),本發(fā)明的“中間位置附近”指柱腿部和柱頂部之間但不包括這些部分的適當(dāng)?shù)奈恢?,它不僅限于柱平分點(diǎn),(h’/h)的設(shè)定是設(shè)計(jì)的事情。
結(jié)合附圖并通過(guò)下面的說(shuō)明,本發(fā)明的上述和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將更清楚,其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法的流程圖;圖2是第一實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法的類似的流程圖;圖3是從本發(fā)明的橋梁軸向看去高架橋下部構(gòu)造的前視圖;圖4是屈服地震系數(shù)譜的圖;圖5是RC剛性框架和減震器與支柱組件的負(fù)荷水平力和變形能力的圖;圖6是靜態(tài)非線性分析得到的荷載位移關(guān)系圖;圖7是根據(jù)一個(gè)改進(jìn)的實(shí)例從橋梁的軸向看去高架橋下部構(gòu)造的前視圖;圖8是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法的流程圖;圖9是第二實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法的類似的流程圖;圖10是彈性反應(yīng)譜的圖;圖11是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法的流程圖;圖12是第三實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法的類似的流程圖;圖13A是采用本發(fā)明的RC框架的抗震加強(qiáng)法的高架橋下部構(gòu)造的前視圖;圖13B是在加強(qiáng)前沿線G-G截取的水平截面圖;圖13C是在加強(qiáng)后沿線G-G截取的水平截面圖;圖14是說(shuō)明本發(fā)明的RC框架的抗震加強(qiáng)法的效果的示意圖;圖15是采用本發(fā)明的RC框架的抗震加強(qiáng)法的另一種結(jié)構(gòu)的截面圖;圖16是采用本發(fā)明的RC框架的抗震加強(qiáng)法的高架橋下部構(gòu)造的前視圖;圖17是說(shuō)明本發(fā)明的RC框架的抗震加強(qiáng)法的效果的示意圖;圖17A是在單獨(dú)的RC剛性框架內(nèi)的恢復(fù)力特征;圖17B是單獨(dú)的減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)的恢復(fù)力特征,和圖17C表示整體恢復(fù)力特征。
圖18是采用本發(fā)明的RC框架的抗震加強(qiáng)法的另一種結(jié)構(gòu)的前視圖;圖19是從本發(fā)明的橋梁軸向看去作為抗震框架結(jié)構(gòu)的高架橋下部構(gòu)造的前視圖;圖20是高架橋下部構(gòu)造的效果的示意圖;
圖21是根據(jù)本發(fā)明的抗震框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法的示意圖;圖22是檢驗(yàn)根據(jù)本發(fā)明的抗震框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的適當(dāng)程度得到的結(jié)果的圖;圖23是從本發(fā)明的橋梁軸向看去作為抗震框架結(jié)構(gòu)的改造的高架橋下部構(gòu)造的前視圖;和圖24是改進(jìn)的抗震框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1和2是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法的流程圖;且圖3是從的橋梁軸向看去高架橋下部構(gòu)造的前視圖。
如圖3所示,高架橋的下部構(gòu)造1由RC剛性框架2和布置在一個(gè)結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的減震器與支柱組件3,減震器與支柱組件3設(shè)有一個(gè)布置在RC剛性框架2的結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的反V形鋼框架支柱4,和滯后減震器5,該滯后減震器5將鋼框架支柱4的頂部與RC剛性框架2的梁的中部的下表面連接。而且,由橋的大梁等構(gòu)成的上部構(gòu)造7在下部構(gòu)造1上延伸,下部構(gòu)造1和上部構(gòu)造7構(gòu)成了鐵路高架橋8。
另外,通過(guò)布置減震器與支柱組件3確保達(dá)到要求的水平剛度時(shí),用來(lái)連接基礎(chǔ)9,9的基礎(chǔ)梁10可省去,該基礎(chǔ)9布置在RC剛性框架2的支腿部分上。省去的基礎(chǔ)梁10可顯著的降低下部構(gòu)造1的施工成本。
為了設(shè)計(jì)高架橋的下部構(gòu)造1,如圖1和2所示,下部構(gòu)造1的目標(biāo)延度系數(shù)μd和目標(biāo)固有周期Td根據(jù)假定的地震運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)定(步驟101)。
特別是,當(dāng)接受到假定的地震運(yùn)動(dòng)時(shí),下部構(gòu)造1的延度系數(shù)和固有周期的目標(biāo)值分別設(shè)定成目標(biāo)延度系數(shù)μd和目標(biāo)固有周期Td。
這里,作為假定的地震運(yùn)動(dòng),例如,可認(rèn)為是在下部構(gòu)造1的使用周期內(nèi)基本上發(fā)生一次的強(qiáng)地震。而且,例如由減震器與支柱組件3的性能,目標(biāo)延度系數(shù)μd可設(shè)定為μ=約3.0,例如由鐵路行駛安全的觀點(diǎn),目標(biāo)固有周期Td可設(shè)定為Td=約0.5秒。另外,如上所述,這里描述的假定的地震運(yùn)動(dòng)包括表面層地面的影響。
隨后,目標(biāo)延度系數(shù)μd和目標(biāo)固有周期Td的屈服地震系數(shù)從假定地震運(yùn)動(dòng)的屈服地震系數(shù)譜中獲得以作為設(shè)計(jì)地震系數(shù)Kh(步驟102)。圖4表示屈服地震系數(shù)譜。
對(duì)于屈服地震系數(shù)譜來(lái)說(shuō),當(dāng)假定的地震運(yùn)動(dòng)輸入到具有任意屈服荷載支承能力的振動(dòng)系統(tǒng)時(shí),利用作為參數(shù)的延度系數(shù)μ=1,2,3…來(lái)計(jì)算最大的水平作用力,通過(guò)使目標(biāo)延度系數(shù)μd和目標(biāo)固有周期Td分別與作為屈服地震系數(shù)譜的參數(shù)的延度系數(shù)和橫坐標(biāo)的固有周期相聯(lián)系,計(jì)算結(jié)果以無(wú)量綱方式除以重量并繪制成屈服地震系數(shù),縱坐標(biāo)的值可讀作屈服地震系數(shù)。特別是,參見(jiàn)圖4,例如,在圖4的一個(gè)圓點(diǎn)所示的位置,當(dāng)目標(biāo)延度系數(shù)μd為3,目標(biāo)固有周期Td為0.5時(shí),屈服地震系數(shù)約為0.44,因此,設(shè)計(jì)地震系數(shù)Kh為0.44。
另一方面,獲得對(duì)應(yīng)于目標(biāo)固有周期Td的目標(biāo)屈服剛度Kd(步驟103)。目標(biāo)屈服剛度Kd可利用下部構(gòu)造1的有效重量W由Kd=(2π/T)2W/g(g;重力加速度)來(lái)計(jì)算。
結(jié)果,利用設(shè)計(jì)地震系數(shù)Kh獲得設(shè)計(jì)水平荷載支承能力Hd,并從目標(biāo)屈服剛度Kd獲得對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)水平荷載支承能力Hd的位移作為設(shè)計(jì)屈服位移δd(步驟104)。通過(guò)設(shè)計(jì)地震系數(shù)Kh乘以下部構(gòu)造1的有效重量W,即Hd=WKh來(lái)計(jì)算水平荷載支承能力Hd。而且,通過(guò)設(shè)計(jì)水平荷載支承能力Hd除以目標(biāo)屈服剛度Kd,即δd=Hd/Kd來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)屈服位移δd。
隨后,水平荷載支承能力Hd分解成由RC剛性框架2承受的水平力Hf和由減震器與支柱組件3承受的水平力Hb(步驟105)。這里,可以任意比率進(jìn)行分解。
接著,設(shè)定RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的構(gòu)件截面,因此,RC剛性框架2和減震器與支柱組件3承受水平力Hf,Hb,最終的荷載支承能力和對(duì)應(yīng)于水平力Hf,Hb的位移等于設(shè)計(jì)屈服位移δd與目標(biāo)延度系數(shù)μd的乘積,即δdμd(步驟106)。圖5表示Hd,Hf,Hb,δd,μd和δdμd的相互關(guān)系。
下面將相對(duì)于RC剛性框架2具體描述構(gòu)件截面的設(shè)定。首先,確定柱截面尺寸,因此,當(dāng)水平力Hf作用在RC剛性框架2上時(shí),產(chǎn)生了設(shè)計(jì)屈服位移δd。隨后,確定剪力鋼筋配筋量,因此,變形能力超過(guò)δdμd。而且,為了確定RC剛性框架2的柱的配筋量(主鋼筋的配筋量),使用了彎曲最終荷載支承能力,而不是柱彎曲屈服荷載支承能力。
另一方面,對(duì)于減震器與支柱組件3,可設(shè)定構(gòu)件截面,因此,減震器與支柱組件3承受水平力Hb,最終的荷載支承能力和對(duì)應(yīng)于水平力Hb的位移等于設(shè)計(jì)屈服位移δd與目標(biāo)延度系數(shù)μd的乘積,即δdμd。另外,構(gòu)成減震器與支柱組件3的滯后減震器5可構(gòu)成例如由低屈服點(diǎn)鋼制成的剪切式減震器。
隨后,RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的設(shè)定好的構(gòu)件截面用來(lái)形成下部構(gòu)造1的結(jié)構(gòu)分析模型,在結(jié)構(gòu)分析模型中采用靜態(tài)非線性分析(步驟107)。
隨后,由靜態(tài)非線性分析得到的圖6的荷載與位移關(guān)系被圖6所示的雙線性特性代替。根據(jù)雙線性特性計(jì)算保持屈服剛度Ky,保持屈服位移δy,保持屈服荷載支承能力Hy和保持最大位移δu的值(步驟108)。
隨后,由保持屈服剛度Ky獲得的保持固有周期T用來(lái)從屈服地震系數(shù)譜得到保持屈服荷載支承能力Hy的必要延度系數(shù)μ(步驟109)。為了計(jì)算必要的延度系數(shù)μ,選擇滿足保持固有周期T和保持屈服荷載支承能力Hy的譜曲線,譜曲線的延度系數(shù)可用作必要的延度系數(shù)μ(見(jiàn)圖4)。
隨后,通過(guò)必要的延度系數(shù)μ乘以保持屈服位移δy得到反應(yīng)最大位移δmax,反應(yīng)最大位移δmax與保持最大位移δu比較,計(jì)算每個(gè)RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的對(duì)應(yīng)于反應(yīng)最大位移δmax的構(gòu)件反應(yīng)最大位移δ’max,構(gòu)件反應(yīng)最大位移δ’max分別與保持最大位移δ’u比較,因此檢驗(yàn)RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的設(shè)定截面(步驟110)。隨后,當(dāng)條件δmax<δu,δ’max<δ’u滿足時(shí),設(shè)計(jì)結(jié)束,當(dāng)條件沒(méi)有得到滿足時(shí),流程返回到步驟106,再次進(jìn)行截面計(jì)算,接著,重復(fù)步驟106至110,直到上述條件滿足。
如上所述,根據(jù)本發(fā)明的高架橋下部構(gòu)造1及其設(shè)計(jì)方法,由于水平荷載支承能力Hd分解成由RC剛性框架2和減震器與支柱組件3承受的水平力Hf,Hb,對(duì)于RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的構(gòu)件截面設(shè)定來(lái)說(shuō),足以單獨(dú)進(jìn)行已分解的水平力Hf,Hb的設(shè)定,而且,有可能很容易的進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。
這是基于這樣的假定,即抵抗作用在整個(gè)下部構(gòu)造1上的水平力可表示成RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的疊加的最終荷載支承能力,但在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中,沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這種疊加的原理可用于RC和鋼的混合結(jié)構(gòu)的彈塑性設(shè)計(jì)中,因?yàn)檫@種混合結(jié)構(gòu)在施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始不存在,在本發(fā)明的情況下,沒(méi)有產(chǎn)生對(duì)于混合結(jié)構(gòu)的彈塑性設(shè)計(jì)的本身的方法。
然而,在本實(shí)施例中,假定疊加成立,將全部水平力分配給RC剛性框架2和減震器與支柱組件3,單獨(dú)進(jìn)行截面設(shè)定,結(jié)果,設(shè)定的截面顯著的更合理,這由本發(fā)明人等通過(guò)許多試驗(yàn)和模擬分析已經(jīng)證實(shí)。
而且,根據(jù)本實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造1及其設(shè)計(jì)方法,由于不是根據(jù)屈服荷載支承能力,而是根據(jù)最終的荷載支承能力來(lái)計(jì)算構(gòu)件截面,不需要重復(fù)計(jì)算構(gòu)件截面,就可得到經(jīng)濟(jì)的截面設(shè)計(jì)。
特別是,當(dāng)考慮到與使用屈服地震系數(shù)譜匹配的性能,基于屈服荷載支承能力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)時(shí),導(dǎo)致過(guò)分的安全結(jié)果,為了得到更經(jīng)濟(jì)的結(jié)果,截面設(shè)定不得不重復(fù)許多次。
然而,經(jīng)過(guò)本申請(qǐng)人等作試驗(yàn)和模擬分析進(jìn)一步證實(shí),通過(guò)假定如上所述疊加成立,將全部水平力分配給RC剛性框架2和減震器與支柱組件3,對(duì)每個(gè)截面進(jìn)行最終荷載支承能力的設(shè)定,結(jié)果,設(shè)定的截面顯著的更合理。而且,在大多數(shù)情況下,不需要重復(fù)設(shè)定構(gòu)件截面,根據(jù)步驟101至106,通過(guò)計(jì)算構(gòu)件截面,在步驟110中可清楚的檢驗(yàn)構(gòu)件截面。
因此,根據(jù)本實(shí)施例,有可能很容易的獲得RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的構(gòu)件截面,與此同時(shí),充分的利用延展性,而不會(huì)多次重復(fù),因此,有可能顯著的降低設(shè)計(jì)成本和高架橋下部構(gòu)造1的施工成本。
在本實(shí)施例中,在步驟107至110中檢驗(yàn)設(shè)定的構(gòu)件截面,但通過(guò)計(jì)算上述步驟101至106中的構(gòu)件截面,在許多情況下,只可清楚的進(jìn)行一次檢驗(yàn)步驟110中的構(gòu)件截面。因此,當(dāng)情況需要時(shí),可省去這種檢驗(yàn)流程。即使在結(jié)構(gòu)中,相對(duì)于構(gòu)件截面的設(shè)定,可獲得上述類似的作用/效果。
而且,在本實(shí)施例中,已經(jīng)描述了與橋軸線垂直交叉的RC剛性框架的結(jié)構(gòu)平面,但無(wú)須多說(shuō),本發(fā)明甚至可沿橋軸線應(yīng)用在RC剛性框架,和布置在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的減震器與支柱組件。
而且,在本實(shí)施例中,由下部構(gòu)造1和上部構(gòu)造2構(gòu)成的鐵路高架橋8已作為一個(gè)實(shí)例加以描述,但本發(fā)明的高架橋下部構(gòu)造和上部構(gòu)造的結(jié)合是任意的,如圖3所示的上部構(gòu)造2不受限制,圖7表示了還可以使用的一種類型(梁板式)的下部構(gòu)造31,其梁32還用作上部構(gòu)造板。
下面描述第二實(shí)施例。另外,與第一實(shí)施例相同的部件用相同的參考標(biāo)號(hào)來(lái)表示,并且省略了對(duì)其的描述。
圖8和9是根據(jù)第二實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法的流程圖。
為了根據(jù)第二實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)高架橋下部構(gòu)造1,如圖8和9所示,首先,在與第一實(shí)施例類似的程序中,根據(jù)假定的地震運(yùn)動(dòng),設(shè)定下部構(gòu)造1的目標(biāo)延度系數(shù)μd和目標(biāo)固有周期Td(步驟111)。
隨后,對(duì)應(yīng)于目標(biāo)固有周期Td的彈性反應(yīng)譜地震系數(shù)從對(duì)應(yīng)于假定的地震運(yùn)動(dòng)的彈性反應(yīng)譜中獲得,彈性反應(yīng)譜地震系數(shù)和目標(biāo)延度系數(shù)μd應(yīng)用于恒定勢(shì)能的紐馬克定律,以便計(jì)算設(shè)計(jì)地震系數(shù)Kh(步驟112)。特別是,Kh=彈性反應(yīng)譜地震系數(shù)/(2μd-1)0.5圖10表示彈性反應(yīng)譜。
對(duì)于彈性反應(yīng)譜來(lái)說(shuō),當(dāng)假定的地震運(yùn)動(dòng)輸入到具有任意剛性的彈性振動(dòng)系統(tǒng)時(shí),計(jì)算最大的水平作用力,通過(guò)使目標(biāo)固有周期Td與橫坐標(biāo)的固有周期相聯(lián)系,計(jì)算結(jié)果以無(wú)量綱方式除以重量并繪制成彈性反應(yīng)譜地震系數(shù),縱坐標(biāo)的值可讀作彈性反應(yīng)譜地震系數(shù)。特別是,參見(jiàn)圖10,例如,在圖10的一個(gè)圓點(diǎn)所示的位置,當(dāng)目標(biāo)固有周期Td為0.5時(shí),彈性反應(yīng)譜地震系數(shù)約為0.44。
另一方面,獲得對(duì)應(yīng)于目標(biāo)固有周期Td的目標(biāo)屈服剛度Kd(步驟113)。目標(biāo)屈服剛度Kd可利用下部構(gòu)造1的有效重量W由Kd=(2π/T)2W/g(g;重力加速度)來(lái)計(jì)算。
然后,在與利用屈服地震系數(shù)譜的程序(步驟104至106)類似的程序中,設(shè)定RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的各構(gòu)件截面(步驟114至116)。
隨后,RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的設(shè)定好的構(gòu)件截面用來(lái)形成下部構(gòu)造1的結(jié)構(gòu)分析模型,在結(jié)構(gòu)分析模型中采用靜態(tài)非線性分析(步驟117)。
隨后,由靜態(tài)非線性分析得到的荷載與位移關(guān)系被雙線性特性代替(見(jiàn)圖6),根據(jù)雙線性特性計(jì)算保持屈服剛度Ky,保持屈服位移δy,保持屈服荷載支承能力Hy和保持最大位移δu的值(步驟118)。
隨后,由保持屈服剛度Ky獲得的保持固有周期T用來(lái)從彈性反應(yīng)譜得到彈性反應(yīng)譜地震系數(shù),彈性反應(yīng)譜地震系數(shù)與保持屈服荷載支承能力Hy一起應(yīng)用于恒定勢(shì)能的紐馬克定律,以獲得必要的延度系數(shù)μ(步驟119)。
特別是,μ={[彈性反應(yīng)譜地震系數(shù)/保持屈服荷載支承能力Hy]2+1}/2隨后,通過(guò)必要的延度系數(shù)μ乘以保持屈服位移δy計(jì)算出反應(yīng)最大位移δmax,反應(yīng)最大位移δmax與保持最大位移δu比較,計(jì)算每個(gè)RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的對(duì)應(yīng)于反應(yīng)最大位移δmax的構(gòu)件反應(yīng)最大位移δ’max,構(gòu)件反應(yīng)最大位移δ’max分別與構(gòu)件保持最大位移δ’u比較,因此檢驗(yàn)RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的設(shè)定截面(步驟120)。隨后,當(dāng)條件δmax<δu,δ’max<δ’u滿足時(shí),設(shè)計(jì)結(jié)束,當(dāng)條件沒(méi)有得到滿足時(shí),流程返回到步驟116,再次進(jìn)行截面計(jì)算,接著,重復(fù)步驟116至120,直到上述條件滿足。
由于第二實(shí)施例的效果基本上與第一實(shí)施例的相同,下面省去對(duì)其的描述。
下面描述第三實(shí)施例。另外,與第一、第二實(shí)施例相同的部件用相同的參考標(biāo)號(hào)來(lái)表示,并且省略了對(duì)其的描述。
圖11和12是根據(jù)第三實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法的流程圖。
為了根據(jù)第三實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)高架橋下部構(gòu)造1,如圖11和12所示,首先,在與第一實(shí)施例類似的程序中,根據(jù)假定的地震運(yùn)動(dòng),設(shè)定下部構(gòu)造1的目標(biāo)延度系數(shù)μd和目標(biāo)固有周期Td(步驟121)。
隨后,對(duì)應(yīng)于目標(biāo)固有周期Td的彈性反應(yīng)譜地震系數(shù)從對(duì)應(yīng)于假定的地震運(yùn)動(dòng)的彈性反應(yīng)譜中獲得,彈性反應(yīng)譜地震系數(shù)除以由結(jié)構(gòu)類型確定的反應(yīng)改正系數(shù),以計(jì)算設(shè)計(jì)地震系數(shù)Kh(步驟122)。
當(dāng)高架橋下部構(gòu)造是例如墻壁式橋墩時(shí),反應(yīng)改正系數(shù)可設(shè)定為2,對(duì)于單柱橋墩可設(shè)定為3,對(duì)于多柱橋墩可設(shè)定為5。
另一方面,獲得對(duì)應(yīng)于目標(biāo)固有周期Td的目標(biāo)屈服剛度Kd(步驟123)。目標(biāo)屈服剛度Kd可利用下部構(gòu)造1的有效重量W由Kd=(2π/T)2W/g(g;重力加速度)來(lái)計(jì)算。
然后,在與利用屈服地震系數(shù)譜的程序(步驟104至106)類似的程序中,設(shè)定RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的各構(gòu)件截面(步驟124至126)。
隨后,RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的設(shè)定好的構(gòu)件截面用來(lái)形成下部構(gòu)造1的結(jié)構(gòu)分析模型,在結(jié)構(gòu)分析模型中采用靜態(tài)非線性分析(步驟127)。
隨后,由靜態(tài)非線性分析得到的荷載與位移關(guān)系被雙線性特性代替(見(jiàn)圖6),根據(jù)雙線性特性計(jì)算保持最大位移δu的值(步驟128)。
隨后,根據(jù)假定的地震運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)非線性分析以得到下部構(gòu)造的反應(yīng)最大位移δmax(步驟129)。對(duì)于動(dòng)態(tài)非線性分析來(lái)說(shuō),例如,可采用經(jīng)過(guò)靜態(tài)非線性分析的結(jié)構(gòu)分析模型。
隨后,反應(yīng)最大位移δmax與保持最大位移δu比較,計(jì)算每個(gè)RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的對(duì)應(yīng)于反應(yīng)最大位移δmax的構(gòu)件反應(yīng)最大位移δ’max,構(gòu)件反應(yīng)最大位移δ’max分別與構(gòu)件保持最大位移δ’u比較,因此檢驗(yàn)RC剛性框架2和減震器與支柱組件3的設(shè)定截面(步驟130)。隨后,當(dāng)條件δmax<δu,δ’max<δ’u滿足時(shí),設(shè)計(jì)結(jié)束,當(dāng)條件沒(méi)有得到滿足時(shí),流程返回到步驟126,再次進(jìn)行截面計(jì)算,接著,重復(fù)步驟126至130,直到上述條件滿足。
由于第三實(shí)施例的效果基本上與第一實(shí)施例的相同,下面省去對(duì)其的描述。
本發(fā)明的RC框架抗震加強(qiáng)法包括如下步驟,即將RC構(gòu)件主鋼筋部分切割成RC構(gòu)件;將RC構(gòu)件的破壞性能從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變到彎曲破壞優(yōu)先型。圖13表示這種抗震加強(qiáng)法應(yīng)用的高架橋下部構(gòu)造41。
圖13所示作為RC框架的高架橋下部構(gòu)造41設(shè)有作為RC構(gòu)件的RC柱構(gòu)件42,42和在RC柱構(gòu)件的頂部之間延伸的RC梁構(gòu)件43,RC柱構(gòu)件42,42是所謂的剪切破壞優(yōu)先型RC構(gòu)件,其中由于作為剪力鋼筋的箍筋47(圖13B)的配筋量小于主鋼筋48的配筋量,因此,剪力強(qiáng)度低,剪切破壞在彎曲破壞之前發(fā)生,并且發(fā)生脆度破壞。另外,RC柱構(gòu)件42垂直布置在基礎(chǔ)46上,該基礎(chǔ)位于樁45的頂部上。
在RC框架的抗震加強(qiáng)法中,剪切破壞優(yōu)先型RC柱構(gòu)件42,42的部分主鋼筋48切割成如圖13C所示的柱腿部和柱頂部。例如,如圖13的實(shí)例所示,在進(jìn)行抗震加強(qiáng)之前,在12個(gè)主鋼筋48之間,在0°,90°,180°,270°方向布置的四個(gè)鋼筋被切割,主鋼筋減少到共八個(gè)鋼筋。
為了切割,選擇沒(méi)有設(shè)置箍筋47的高度,用金剛石刀具將主鋼筋和外覆混凝土一起切割,在切割后,在需要的情況下,在混凝土切割的位置填充水泥漿或類似物,最好進(jìn)行主鋼筋48的防銹處理等。
當(dāng)切割主鋼筋48的一部分時(shí),每個(gè)RC柱構(gòu)件42的彎曲屈服點(diǎn)降低,因此,剪力屈服點(diǎn)相對(duì)升高,而且,RC柱構(gòu)件的破壞性能從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變到彎曲破壞優(yōu)先型。而且,對(duì)于每個(gè)RC柱構(gòu)件來(lái)說(shuō),與表現(xiàn)為脆度破壞的剪切破壞不同,破壞性能變得富于延展性,通過(guò)沿如圖14的滯后曲線重復(fù)彎曲變形,在破壞適當(dāng)?shù)陌l(fā)生之前,能量以滯后衰減的形式被吸收。
如上所述,根據(jù)本實(shí)施例的RC框架的抗震加強(qiáng)法,通過(guò)切割主鋼筋48的一部分,RC柱構(gòu)件42的破壞性能從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變到彎曲破壞優(yōu)先型。
因此,在地震期間,通過(guò)彎曲變形,RC柱構(gòu)件42實(shí)現(xiàn)滯后衰減,并吸收整個(gè)RC剛性框架的振動(dòng)能量,因此,RC柱構(gòu)件42和整個(gè)RC剛性框架的抗震性能增強(qiáng)。而且,由于僅切割主鋼筋48是足夠的,抗震加強(qiáng)在短時(shí)間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)。
另外,當(dāng)切割主鋼筋48時(shí),RC柱構(gòu)件42的彎曲屈服點(diǎn)因此下降,RC柱構(gòu)件42因此進(jìn)入具有較小地震荷載的彈塑區(qū)域,但是,即使超過(guò)彎曲屈服點(diǎn),通過(guò)沿上述滯后曲線重復(fù)彎曲變形,實(shí)現(xiàn)滯后衰減。結(jié)果,RC柱構(gòu)件42和整個(gè)RC剛性框架的抗震性能可提高。
在本實(shí)施例中,本發(fā)明的RC框架的抗震加強(qiáng)法應(yīng)用在與高架橋下部構(gòu)造內(nèi)的橋軸線垂直交叉的平面內(nèi),但無(wú)須多說(shuō),本發(fā)明可用于與橋軸線平行的平面內(nèi)。而且,將連接有減震器支柱機(jī)構(gòu)的平面是任意的,該機(jī)構(gòu)可連接到RC框架的所有平面上,或者僅連接到任一平面內(nèi)。
而且,在本實(shí)施例中,本發(fā)明的RC框架的抗震加強(qiáng)法應(yīng)用于高架橋下部構(gòu)造41中,但可適用目的不僅限于這種結(jié)構(gòu),本發(fā)明還可應(yīng)用于其它結(jié)構(gòu),以及建筑工地的抗震墻壁。
圖15表示在地下結(jié)構(gòu)52的中間柱53上進(jìn)行的抗震加強(qiáng),該地下結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)有地道51,柱的主鋼筋48的一部分切割成柱腿部53和柱頂部54。
由于地下結(jié)構(gòu)52的中間柱53具有許多主鋼筋和很少的剪力鋼筋,并非剪切破壞傾向于優(yōu)先,根據(jù)本發(fā)明的抗震加強(qiáng)法,與上述實(shí)施例類似,有可能將該類型轉(zhuǎn)變成彎曲破壞優(yōu)先型,并增強(qiáng)抗震性能。
而且,在本實(shí)施例中,總共四個(gè)主鋼筋48每隔90切割,并且在柱腿部和柱頂部進(jìn)行切割,但是待切割的鋼筋數(shù)量和傾斜位置是任意的,無(wú)須多說(shuō),情況需要時(shí),主鋼筋可在柱腿部或者在柱頂部切割。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的RC框架的抗震加強(qiáng)法包括的步驟有將構(gòu)成RC剛性框架的RC柱構(gòu)件的主鋼筋的一部分切割,以便使RC構(gòu)件的破壞性能從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變成彎曲破壞優(yōu)先型;將減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)布置在RC剛性框架的平面內(nèi)。這種抗震加強(qiáng)法應(yīng)用于圖13所示的高架橋下部構(gòu)造41內(nèi)。
在本實(shí)施例的RC框架的抗震加強(qiáng)法內(nèi),剪切破壞優(yōu)先型的RC柱構(gòu)件42,42的主鋼筋48以圖13所示的方式切割,減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61布置在構(gòu)成RC柱構(gòu)件42,42的RC剛性框架的平面內(nèi),RC梁構(gòu)件43在圖16所示的頂部之間伸展。
減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61設(shè)有一個(gè)反V形支柱62,和在支柱的頂部和RC梁構(gòu)件43之間連接的減震器63,當(dāng)梁構(gòu)件43和支柱62之間的相對(duì)位移被迫增加時(shí),減震器導(dǎo)致彈塑性變形,并且在地震期間通過(guò)滯后衰減吸收RC剛性框架的能量以減少振動(dòng)。減震器63例如由低屈服點(diǎn)鋼或設(shè)有狹長(zhǎng)切口的普通鋼板構(gòu)成。
當(dāng)用金剛石刀具等將作為RC剛性框架的構(gòu)件的剪切破壞優(yōu)先型的RC柱構(gòu)件42,42的主鋼筋48的一部分切割時(shí),每個(gè)RC柱構(gòu)件42的彎曲屈服點(diǎn)降低,因此,剪力屈服點(diǎn)相對(duì)升高,而且,RC柱構(gòu)件的破壞性能從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變到彎曲破壞優(yōu)先型。而且,對(duì)于每個(gè)RC柱構(gòu)件來(lái)說(shuō),與表現(xiàn)為脆度破壞的剪切破壞不同,通過(guò)沿滯后曲線重復(fù)彎曲變形,在地震期間,能量以滯后衰減的形式被吸收,并發(fā)生適當(dāng)?shù)钠茐摹?br>
而且,在地震期間,由于不僅RC剛性框架而且減震器與支柱組件61承受水平力,因此,在RC柱構(gòu)件42,42內(nèi)產(chǎn)生的構(gòu)件力減小。在本實(shí)施例中,即使在沒(méi)有減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61時(shí)使RC柱構(gòu)件42,42進(jìn)入彈塑性區(qū)域的地震水平下,RC柱構(gòu)件42彈性工作而不會(huì)超過(guò)彎曲屈服點(diǎn)。
圖17表示利用本實(shí)施例的抗震加強(qiáng)法的高架橋下部構(gòu)造41的恢復(fù)力特性的變化,圖17A表示當(dāng)通過(guò)間斷線沒(méi)有進(jìn)行加強(qiáng)時(shí)RC剛性框架的恢復(fù)力特性,和當(dāng)通過(guò)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行加強(qiáng)時(shí)的恢復(fù)力特性,而圖17B表示減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61的恢復(fù)力特性。而且,圖17C表示通過(guò)預(yù)防措施單獨(dú)的RC剛性框架和單獨(dú)的減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)的恢復(fù)力特性。
如圖17C所示,在進(jìn)行抗震加強(qiáng)之后,恢復(fù)力特性從原始為0經(jīng)過(guò)第一折疊點(diǎn)A變化到第二折疊點(diǎn)B,然后,只有變形發(fā)展。
參考恢復(fù)力特性具體的描述在地震期間的情況。首先,在小地震時(shí),包括RC柱構(gòu)件42,42和減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61的RC剛性框架根據(jù)地震期間的承受的水平力來(lái)變形,但變形限制在彈性范圍(初始為0至第一折疊點(diǎn)A),在RC剛性框架或減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61內(nèi)沒(méi)有引起破壞。
隨后,在中度地震中,減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61的減震器63變形超過(guò)屈服點(diǎn)(第一折疊點(diǎn)A至第二折疊點(diǎn)B),但這種情況下,通過(guò)地震迅速的會(huì)聚,減震器63實(shí)現(xiàn)了滯后衰減和振動(dòng)。而且,由于RC剛性框架在彈性范圍內(nèi)工作,RC柱構(gòu)件42沒(méi)有產(chǎn)生破壞,真?zhèn)€結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性完全保持。另外,當(dāng)減震器63大大損壞時(shí),無(wú)須多說(shuō),在任何時(shí)間可用新的減震器來(lái)更換該壞的減震器。
而且,在大地震中,RC柱構(gòu)件42和減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61的減震器63變形大大超出各屈服點(diǎn)(在第二折疊點(diǎn)B及其之后),但RC柱構(gòu)件42和減震器63實(shí)現(xiàn)大的之后衰減,以吸收地震能量,即使在減震器63破壞的最后階段,RC柱構(gòu)件42連續(xù)的支撐垂直荷載,這不會(huì)導(dǎo)致脆度破壞,因此,可預(yù)先避免整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌。
如上所述,根據(jù)本實(shí)施例的RC框架的抗震加強(qiáng)法,通過(guò)切割主鋼筋48的一部分,RC柱構(gòu)件42的破壞性能可從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變成彎曲破壞優(yōu)先型。
因此,通過(guò)在地震期間利用彎曲變形以吸收整個(gè)RC剛性框架的振動(dòng)能,從而RC柱構(gòu)件42實(shí)現(xiàn)滯后衰減,這樣提高了RC柱構(gòu)件42和整個(gè)RC剛性框架的抗震性能。而且,由于僅通過(guò)切割主鋼筋48即足夠,因此,有可能在顯著短的時(shí)間內(nèi)完成抗震加強(qiáng)。
而且,根據(jù)本實(shí)施例的RC框架的抗震加強(qiáng)法,通過(guò)將減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61布置在RC剛性框架的平面內(nèi),由于RC柱構(gòu)件42的彎曲屈服點(diǎn)降低,RC剛性框架的負(fù)荷水平力減小施加到減震器與支柱組件61上,在中/小或更小的地震水平下,整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞和變形最小,在大地震水平下,在地震期間的能量由RC柱構(gòu)件42和減震器63的變形引起的滯后衰減吸收,并可避免整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌。
特別是,根據(jù)本實(shí)施例,當(dāng)從圖17的恢復(fù)力特性看去,由于減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61的減震器63允許在RC柱構(gòu)件42之前屈服,至少在中度地震水平或較小(直到第二折疊點(diǎn)B的范圍),在包括RC柱構(gòu)件42在內(nèi)的RC剛性框架內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生破壞,損壞的減震器63可適當(dāng)?shù)母鼡Q,因此在這種地震水平下,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性可完全得以保持。
本實(shí)施例中并沒(méi)有特別指出,如果由于減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61導(dǎo)致的負(fù)荷水平力的增加允許等于切割主鋼筋48時(shí)RC剛性框架的負(fù)荷水平力的減少,則整個(gè)結(jié)構(gòu)的水平荷載支承能力不變。特別是,在加強(qiáng)前或之后,在地震期間作用在RC柱構(gòu)件42的基礎(chǔ)46上的水平力的大小不變,圍繞基礎(chǔ)沒(méi)有必要進(jìn)行上述抗震加強(qiáng)。
而且,在本實(shí)施例中,本發(fā)明的RC框架的抗震加強(qiáng)法應(yīng)用在高架橋下部構(gòu)造41上,但可適用目的不僅限于這種結(jié)構(gòu),本發(fā)明還可不僅應(yīng)用于其它結(jié)構(gòu),而且可應(yīng)用于建筑工地的抗震墻壁。
圖18表示一個(gè)實(shí)例,其中在設(shè)有RC柱構(gòu)件71,71和RC梁構(gòu)件72,72的RC剛性框架上進(jìn)行抗震加強(qiáng),柱構(gòu)件71的主鋼筋48的一部分切割成柱腿部74和柱頂部73。另外,由于在這種改進(jìn)的實(shí)例中的效果基本上與上述實(shí)施例的效果類似,下面省去對(duì)其的描述。
而且,在本實(shí)施例中,減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61的減震器63允許在RC柱構(gòu)件42,42之前屈服,但主鋼筋48被切割的比例,即RC剛性框架的水平荷載支承能力的設(shè)定是任意的,還可以任意設(shè)計(jì)減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61,以便減少得到補(bǔ)償,或者不考慮減少來(lái)設(shè)計(jì)減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)61。
圖19是從橋軸線看去本發(fā)明的作為抗震框架結(jié)構(gòu)的高架橋下部構(gòu)造的前視圖。從圖19可見(jiàn),本實(shí)施例的高架橋下部構(gòu)造81包括一個(gè)RC剛性框架84,該RC剛性框架由一對(duì)柱82,82和一個(gè)梁83組成,該對(duì)柱82垂直地相對(duì)布置成橋墩狀,該梁83在柱82,82的頂部之間伸展;一個(gè)反V形偏心支柱材料85,該偏心支柱材料85布置在RC剛性框架84的結(jié)構(gòu)平面內(nèi),其兩端釘住柱82,82的中部附近;和夾在反V形偏心支柱材料85的上端和梁83之間的滯后剪切減震器86。這里,柱82垂直地布置在樁87上的基礎(chǔ)88之上。而且,偏心支柱材料85可由例如鋼框架材料制成。
在地震期間,通過(guò)滯后阻尼,滯后剪切減震器86吸收振動(dòng)能量,并在與橋軸線垂直交叉的方向上迅速減少高架橋的振動(dòng)。
滯后剪切減震器86可通過(guò)形成許多普通薄鋼板上的狹長(zhǎng)切口來(lái)構(gòu)成,或者可由超柔鋼制成,最好情況需要時(shí)布置加強(qiáng)剛性肋并防止局部彎曲。滯后剪切減震器86可拆卸的在偏心支柱材料85和梁83之間連接,因此在保養(yǎng)期間可更換減震器。
反V形偏心支柱材料85的兩端可釘住例如柱82的平分點(diǎn)附近。
高架橋下部構(gòu)造81這樣構(gòu)成,即它使塑性鉸在大地震中在柱82的上端和下端內(nèi)產(chǎn)生。在這種情況下,柱82的曲率只在上端和下端產(chǎn)生,每個(gè)柱82在中部基本上線性傾斜。
而且,如圖20所示,由于滯后剪切減震器86承受線性傾斜柱82引起的強(qiáng)制變形,在滯后剪切減震器86內(nèi)產(chǎn)生的相對(duì)水平變形量δd減小到小于在RC剛性框架84內(nèi)產(chǎn)生的整體水平變形量δ,這是基于偏心支柱材料85的端部的連接高度比,即(h’/h)(h;從柱82的腿部到梁83的高度,h’;從柱82上的支柱連接位置到梁83的高度),和(h’/h)δ的結(jié)果。
特別是,當(dāng)偏心支柱材料85的端部正好釘住柱82的平分點(diǎn)上時(shí),在滯后剪切減震器86內(nèi)產(chǎn)生的相對(duì)水平變形量δd基本上是在RC剛性框架84內(nèi)產(chǎn)生的水平變形量δ的1/2。
因此,在這種情況下,RC剛性框架84的變形是傳統(tǒng)量的兩倍,且滯后剪切減震器86不會(huì)破壞。RC剛性框架84的延展性可充分利用。
另外,由于偏心支柱材料85釘住柱82,在偏心支柱材料的端部不可能產(chǎn)生彎矩,因此,不可能端部承受銷接位置的彎曲破壞。
隨后,為了設(shè)計(jì)本發(fā)明的作為抗震框架的高架橋下部構(gòu)造81,第一高架橋下部構(gòu)造81分解成如圖21所示的RC分析模型89和減震器與支柱組件分析模型90??紤]到整個(gè)系統(tǒng)與RC剛性框架84和減震器與支柱組件(偏心支柱材料85和滯后剪切減震器86)混合不適合實(shí)際使用,因此對(duì)此加以完善,這是因?yàn)槟P蛷?fù)雜而且困難,分析時(shí)間加長(zhǎng)。
這里,RC剛性框架84在柱82的上端和下端塑化,并且如圖21所示,RC剛性框架的柱頂部和柱腿部由轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧91代替,在這種條件下形成RC分析模型89。
另外,轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧91相對(duì)于位移(轉(zhuǎn)動(dòng)量)是非線性彈簧,在具有小轉(zhuǎn)動(dòng)量區(qū)域,即在彈性區(qū)域,具有對(duì)應(yīng)于剛性接頭的較大的剛性,但當(dāng)變形發(fā)展時(shí)塑化,在大變形區(qū)域具有小的剛性。
另一方面,在減震器與支柱組件分析模型90中,柱82和梁83用虛剛性柱92和虛剛性梁93代替,相互銷接,滯后剪切減震器86夾在虛剛性梁93和偏心支柱材料85的上端之間。
這里,由于在柱82的上端和下端RC剛性框架84塑化,柱82只在其上端和下端具有曲率,在中部位置線性傾斜。因此,變形后的RC剛性框架84根據(jù)柱82釘住在偏心支柱材料85上的位置的比率,即在上述實(shí)例中為(h’/h),從而使滯后剪切減震器86強(qiáng)制變形,結(jié)果,滯后剪切減震器86導(dǎo)致(h’/h)δ的變形。
因此,用虛剛性柱92和虛剛性梁93代替柱82和梁83,相互銷接,并將滯后剪切減震器86置于虛剛性梁93和偏心支柱材料85的上端之間,這具有足夠的工程適合程度。
在以這種方式結(jié)束RC分析模型89和減震器與支柱組件分析模型90的建模,作用在高架橋下部構(gòu)造81上的設(shè)計(jì)外力P分配到RC分析模型89和減震器與支柱組件分析模型90上。特別是,Pdb作用在減震器與支柱組件分析模型90上,Prc(Prc=P-Pdb),單獨(dú)進(jìn)行彈塑性分析,隨后,根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行截面設(shè)計(jì),對(duì)高架橋下部構(gòu)造81的整個(gè)性能求值作為疊加分析的結(jié)果。
這里,當(dāng)滯后剪切減震器86的荷載變形特征(相對(duì)于相對(duì)位移量δ的荷載曲線)限定為Hb,強(qiáng)制相對(duì)變形(h’/h)δ進(jìn)入滯后減震器86,減震器與支柱組件分析模型90的負(fù)荷Pdb由強(qiáng)制變形自動(dòng)確定,并且可表示為(h’/h)Hb。
從該方程可知,當(dāng)確定(h’/h)時(shí),減震器與支柱組件分析模型90的負(fù)荷Pdb由減震器荷載位移特征Hb單獨(dú)確定。
圖22是通過(guò)上述所謂的簡(jiǎn)單方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)的適當(dāng)程度所獲得的結(jié)果的圖。圖22表示荷載位移曲線,其中縱坐標(biāo)表示作用在RC剛性框架上的荷載,橫坐標(biāo)表示產(chǎn)生的位移,通過(guò)設(shè)定(h’/h)為約0.6,設(shè)定RC剛性框架的負(fù)荷Prc為(P-0.6Hb),并根據(jù)上述簡(jiǎn)單方法繪制分析結(jié)果,從而得到一條實(shí)線,通過(guò)僅去掉RC剛性框架并繪制荷載位移關(guān)系來(lái)得到虛線。
如圖22所示,RC剛性框架的實(shí)際荷載位移關(guān)系(虛線)顯著的滿足并符合由上述簡(jiǎn)單方法得到的荷載位移關(guān)系,據(jù)說(shuō)簡(jiǎn)單方法的適當(dāng)程度已經(jīng)充分證實(shí)。
如上所述,根據(jù)本實(shí)施例的抗震框架結(jié)構(gòu),由于偏心支柱材料85的兩端與柱82的中部位置附近連接,根據(jù)偏心支柱材料85的端部的連接高度的比率(h’/h),在滯后剪切減震器86內(nèi)產(chǎn)生的相對(duì)水平變形量減少到小于RC剛性框架84內(nèi)產(chǎn)生的水平變形量。例如,當(dāng)端部正好與柱的平分點(diǎn)連接時(shí),該量減小,以提供RC剛性框架84內(nèi)產(chǎn)生的水平變形量的基本上一半。
因此,有可能使RC剛性框架84變形到傳統(tǒng)變形量的兩倍的變形量,并充分利用延展性,通過(guò)滯后剪切減震器86的滯后阻尼從而與振動(dòng)能量吸收作用的協(xié)同作用,有可能通過(guò)更合理的截面設(shè)計(jì)而不需要大截面的設(shè)計(jì),以確保充分地抵抗大地震。
而且,根據(jù)本實(shí)施例的抗震框架結(jié)構(gòu),由于偏心支柱材料85釘住到柱82上,因此,在偏心支柱材料85的端部不可能產(chǎn)生彎矩,這樣,可預(yù)先防止在銷接位置的偏心支柱材料的端部的彎曲破壞。
而且,根據(jù)本實(shí)施例的抗震框架結(jié)構(gòu),由于反V形偏心支柱材料85的兩端粘合到一對(duì)柱82,82的中間高度位置附近,在偏心支柱材料85下確保具有大空間。
因此,在偏心支柱材料85下的空間可用作設(shè)置商業(yè)運(yùn)營(yíng)鐵路,并可能以其它不同方式有效的利用。
另外,根據(jù)本實(shí)施例的抗震框架結(jié)構(gòu),由于反V形偏心支柱材料85布置在RC剛性框架84的結(jié)構(gòu)平面內(nèi),通過(guò)與橋軸線垂直交叉的水平方向上的偏心支柱材料85,與此同時(shí)不需要安裝任何基礎(chǔ)梁,足以確保滿足剛度要求。
而且,根據(jù)本實(shí)施例的抗震框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,盡管在已有技術(shù)中必須在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型混合有RC剛性框架84和減震器與支柱組件(偏心支柱材料85和滯后剪切減震器86),RC剛性框架84和減震器與支柱組件可獨(dú)立和單獨(dú)的以類似方式進(jìn)行分析,在設(shè)計(jì)工作中可獲得顯著有效的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)方法。
在本實(shí)施例中,偏心支柱材料85具有反V形,但如圖23所示,替而代之的是,可采用V形偏心支柱材料95,其下端可通過(guò)滯后剪切減震器86與基礎(chǔ)梁94連接,該基礎(chǔ)梁94用于連接基礎(chǔ)88,88,柱82垂直布置在該基礎(chǔ)88,88上。
即使在這種結(jié)構(gòu)中,抗震框架結(jié)構(gòu)的效果與上述實(shí)施例的效果類似。
而且,對(duì)于設(shè)計(jì)方法,可以與上述程序類似的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。特別是,首先,作為抗震框架結(jié)構(gòu)的高架橋下部構(gòu)造81分解成兩個(gè),并且如圖21所示的RC分析模型89和減震器與支柱組件分析模型90相類似模型化。
這里,RC分析模型可與以下方式獲得的RC分析模型89類似,即假定RC剛性框架84在柱82的上端和下端塑化,并用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧91代替RC剛性框架的剛性接頭(柱頂部和柱腿部)。
另一方面,通過(guò)用虛剛性柱92和虛剛性梁93來(lái)代替柱82和梁83,使柱相互釘住,而且,如圖24所示,用虛剛性基礎(chǔ)梁96代替基礎(chǔ)梁94,將該梁釘住到虛剛性柱92的腿部,以及將滯后剪切減震器86夾在虛剛性基礎(chǔ)梁96和偏心支柱材料95的上端之間,從而考慮和獲得該減震器與支柱組件分析模型。
權(quán)利要求
1.一種RC框架的抗震加強(qiáng)法,其步驟包括將RC構(gòu)件的主鋼筋部分切割,以便使RC構(gòu)件的破壞性能從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變成彎曲破壞優(yōu)先型。
2.一種RC框架的抗震加強(qiáng)法,其步驟包括將構(gòu)成RC剛性框架的RC柱構(gòu)件的主鋼筋的一部分切割,以便使RC構(gòu)件的破壞性能從剪切破壞優(yōu)先型轉(zhuǎn)變成彎曲破壞優(yōu)先型;和將減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)布置在RC剛性框架的一個(gè)平面內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的RC框架的抗震加強(qiáng)法,其特征在于它還包括在所述RC柱構(gòu)件之前允許所述減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)的減震器屈服的步驟。
4.如權(quán)利要求2所述的RC框架的抗震加強(qiáng)法,其步驟還包括允許由于所述減震器與支柱組件機(jī)構(gòu)導(dǎo)致負(fù)荷水平力的增加等于由于切割所述主鋼筋導(dǎo)致所述RC剛性框架的負(fù)荷水平力的減少。
5.一種抗震框架結(jié)構(gòu),它包括一個(gè)RC剛性框架,該RC剛性框架由一對(duì)柱和一個(gè)梁組成,該對(duì)柱垂直地相對(duì)布置,該梁在柱的頂部之間伸展;一個(gè)反V形或V形偏心支柱材料,該偏心支柱材料布置在RC剛性框架的結(jié)構(gòu)平面內(nèi),其兩端與柱的中部附近銷接;和減震器,該減震器夾在反V形偏心支柱材料的上端和梁之間或者夾在V形偏心支柱材料的下端和基礎(chǔ)梁之間,該基礎(chǔ)梁用于將柱的腿部連接。
6.一種抗震框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,該抗震框架結(jié)構(gòu)包括一個(gè)RC剛性框架,該RC剛性框架由一對(duì)柱和一個(gè)梁組成,該對(duì)柱垂直地相對(duì)布置,該梁在柱的頂部之間伸展,一個(gè)反V形偏心支柱材料,該偏心支柱材料布置在RC剛性框架的結(jié)構(gòu)平面內(nèi),其兩端與柱的中部附近銷接;和減震器,該減震器夾在反V形偏心支柱材料的上端和梁之間,該方法的步驟包括通過(guò)用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧代替RC剛性框架的剛性接頭,從而獲得RC分析模型,通過(guò)用虛剛性柱和虛剛性梁代替柱和梁,使虛剛性柱與虛剛性梁銷接,并將減震器夾在虛剛性梁和偏心支柱材料的上端之間,從而獲得減震器與支柱組件分析模型,因此,通過(guò)將抗震框架結(jié)構(gòu)分解成這兩種模型,從而使抗震框架結(jié)構(gòu)模型化;設(shè)計(jì)外力P作用在抗震框架結(jié)構(gòu)上,從下列公式得到減震器與支柱組件分析模型的負(fù)荷Pdb,Pdb=(h’/h)Hb其中h表示從虛剛性柱的腿部到虛剛性梁的高度,h’表示從虛剛性柱的支柱連接位置到虛剛性梁的高度,Hb表示減震器荷載位移特征,從下列公式得到RC分析模型的負(fù)荷Prc,Prc=P-Pdb;和使Pdb作用于減震器與支柱組件分析模型,使Prc作用于RC分析模型,以單獨(dú)進(jìn)行彈塑性分析,并進(jìn)行抗震框架結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計(jì)。
全文摘要
為了設(shè)計(jì)高架橋的下部構(gòu)造,首先下部構(gòu)造的目標(biāo)延度系數(shù)μ
文檔編號(hào)E04H9/02GK1558035SQ20041004341
公開(kāi)日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2000年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月1日
發(fā)明者大內(nèi)一, 岡野素之, 涌井一, 松本信之, 曾我部正道, 在田浩之, 大屋戶理明, 之, 正道, 理明 申請(qǐng)人:株式會(huì)社大林組, 財(cái)團(tuán)法人鐵道總合技術(shù)研究所