公路抗震设计midas软件使用.docx

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公路抗震设计验算功能

一、公路抗震设计验算概述

1.公路抗震设计使用方法

程序根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01—2008）内容，对公路桥梁进行的抗震设计。

具体设计流程如下：

1）建立分析模型；

2）定义弯矩-曲率曲线（仅在桥墩及盖梁强度验算时定义）；

3）输入反应谱地震荷载数据；

4）运行分析；

5）定义公路抗震设计用荷载组合；

6）定义公路抗震设计参数及材料特性；

7）定义截面配筋数据；

8）定义抗震设计构件类型；

9）运行抗震设计；

10）查看抗震验算结果表格；

11）查看抗震设计计算书——选择“设计〉RC设计〉输出RC设计计算书”。

2.公路抗震设计注意事项

1）进行公路抗震设计的混凝土材料及钢筋材料特性必须选择JTG04（RC）规范，否则程序提示“抗震设计单元材料选择不正确”（结构分析时可不受此限制）；

2）进行公路抗震设计的盖梁截面必须是“设计截面”中的截面，其他构件截面必须是“数据库/用户”中的截面，否则程序提示“抗震设计用数据不存在”；

3）在设计截面的剪切验算位置栏中不输入信息，程序将按默认的剪切验算位置自动计算剪切应力，各种截面程序默认的剪切验算位置参见联机帮助；

4）定义设计截面时输入的抗剪用腹板最小厚度将用来作为抗弯和抗剪验算的腹板厚度，因此一定要指定抗剪用腹板厚度，否则抗弯验算的结果不可信，且不能得到剪切应力的计算结果；

5）程序默认水平的“设计截面”梁单元按梁设计，竖直的“数据库/用户”截面梁单元按柱设计，对于倾斜的梁单元，需要在“设计〉一般设计参数〉编辑构件类型”中指定构件类型，否则程序提示“不是适合的构件类型”的错误信息；

6）梁构件的普通钢筋数据要在前处理的“截面钢筋”中输入，柱构件的普通钢筋数据要在“设计〉RC设计〉RC设计截面配筋”中输入，否则程序提示“抗震设计用数据不存在”；

7）当设计规范选择为“JTG/TB02-01—2008”时，设计用截面配筋中“箍筋类型”的“直径”和“肢数”将采用按截面Y、Z向分开的方式输入，这样便于用户配置多种箍筋形式；

8）定义弯矩-曲率曲线之前必须在“模型〉材料和截面特性〉弹塑性材料特性”中定义混凝土和钢筋材料的本构关系，否则因无材料特性而无法定义弯矩-曲率曲线；

9）程序按自动计算钢筋屈服应变，各等级钢筋屈服应变详见下表：

钢筋等级

屈服应力fy

MPa

弹性模量E

MPa

默认屈服应变εy

HRB335

335

2.0e5

0.1675%

HRB400

400

2.0e5

0.2%

KL400

400

2.0e5

0.2%

R235

235

2.1e5

0.112%

10）抗震验算构件（除盖梁外其他所有构件）必须在“设计〉一般设计参数〉自由长度、计算长度系数”中定义柱构件计算长度数据，否则程序提示“设计单元缺少计算长度数据”；

11）对于桥墩构件，计算长度数据要用于程序计算P-M曲线，所以必须要定义准确，否则程序默认取；

12）反应谱函数中新增了“JTG/TB02-01—2008”规范，程序通过用户选择的不同参数按照规范公式（5.2.1）计算输出水平向设计加速度反应谱函数，对于竖向设计加速度反应谱函数，程序先根据用户所选的“基岩”和“土层”来计算“竖向/水平向谱比函数R”，然后在水平反应谱函数的基础上按照规范5.2.5的要求计算输出竖向设计加速度反应谱函数；

13）公路抗震设计用荷载组合必须在“结果〉荷载组合〉混凝土设计”中定义（程序自动生成或用户自定义），荷载工况中必须包括地震（反应谱）荷载类型，否则无法进行抗震设计验算；

14）自动生成抗震荷载组合时，程序会将定义的所有地震（反应谱）荷载工况采用SRSS方式先进行组合，然后再按照规范3.4的要求将永久作用与地震作用（SRSS结果）组合，组合时永久作用和地震作用组合系数均取1.0；

15）对于地震作用考虑到作用方向的不确定性，程序自动组合时考虑了正、反两个方向的组合，即一加一减的形式；

16）自动生成抗震荷载组合时，地震作用中不考虑地震土压力和地震水压力，仅考虑地震动（反应谱）的作用，由于时程荷载不支持计算结果的线性叠加，所以荷载组合中的地震作用不考虑时程荷载，仅考虑反应谱荷载；

17）程序根据地震作用等级和结构是否进入塑性状态，将抗震验算划分为“E1地震作用、E2地震作用（弹性）、E2地震作用（弹塑性）”三个阶段；

18）定义桥墩构件时必须选择连续的桥墩单元，否则程序提示“[错误]单元间没有连成直线”；

19）对于双柱墩、排架墩，其顺桥向容许位移程序按08抗震细则中公式（7.4.7）计算，横桥向容许位移由用户自行计算后输入，程序不提供自动计算功能；

20）“塑性铰区域”选项仅在E2地震作用弹塑性阶段计算延性墩柱剪力设计值时起作用，其中“底部”对应08抗震细则中公式（6.8.2-1）和（6.8.2-3）的内容，“顶、底部”对应公式（6.8.2-2）和（6.8.2-4）的内容；

21）桥墩验算时必须要有弯矩-曲率的关系数据，用户可以在前处理中定义“弯矩-曲率曲线”，也可以在“用户定义”中直接输入相关数据来定义弯矩-曲率关系，否则程序提示“[错误]钢筋砼抗震设计构件类型数据（号:

4）内有错误。

（项目:

桥墩-用户定义屈服曲率）”；

22）定义盖梁构件时必须选择连续的盖梁单元，否则程序提示“[错误]单元间没有连成直线”；

23）“相连墩顶节点”选项仅在E2地震作用弹塑性阶段计算延性桥墩盖梁的弯矩设计值时起作用，如果没有指定盖梁相连的墩顶节点，程序因调取不到值而使计算的弯矩设计结果不可信，对于盖梁连接多个桥墩的情况，程序默认取所有桥墩墩顶弯矩的最大值作为的结果；

24）“塑性转动能力”和“活动盆式支座水平位移”两项需要用户另外定义时程荷载来单独进行验算，其他项目均需定义反应谱荷载进行验算；

25）主拱圈截面若定义为圆形，程序则不进行主拱抗弯强度验算；

26）08抗震细则6.3.7推荐板式橡胶支座和固定盆式支座用线性弹簧单元来模拟，对应程序中应采用弹性连接单元；推荐活动盆式支座用理想弹塑性弹簧单元模拟，对应程序中应采用一般连接单元。

二、公路抗震设计验算说明

1.公路抗震设计验算内容

程序根据地震作用和桥梁抗震设防类别的不同，分别给出如下14项验算结果。

1）桥墩强度验算

2）桥台强度验算

3）基础强度验算

4）盖梁抗弯强度验算

5）盖梁抗剪强度验算

6）主拱抗弯强度验算

7）主拱偏压强度验算

8）桥墩塑性铰抗剪强度验算

9）支座厚度验算（板式橡胶支座）

10）支座抗滑稳定性验算（板式橡胶支座）

11）支座水平位移验算（活动盆式支座）

12）支座水平力验算（固定盆式支座）

13）桥墩墩顶位移验算（规则桥梁）

14）塑性转动能力验算

2.公路抗震设计验算结果说明

1）桥墩强度验算

Ø桥墩强度验算对应的是08抗震细则7.2.2和7.3.1的内容；

Ø程序对E1和E2地震作用下的桥墩强度采用相同的验算方法；

Ø轴心-Fxmin表示在轴力最小时的轴心受压验算，设计值rNd取抗震荷载组合计算结果；

Ø轴心抗压承载力按公式计算，构件计算长度需在“设计〉一般设计参数〉自由长度和计算长度系数”中定义，为构件全截面面积，当纵向钢筋配筋率大于3%时，改用净截面面积；

Ø偏心-Fxmin（My）表示轴力最小时的偏心受压验算，偏心-Mymin表示主弯矩最小时的偏心受压验算，偏心-Mymax表示主弯矩最大时的偏心受压验算，偏压验算的设计值rNd取抗震荷载组合计算结果；

Ø目前程序仅对偏心荷载引起的强轴方向弯矩进行偏心受压验算，程序默认强轴为单元坐标系轴，用户可通过修改单元坐标的β角来建立与实际柱构件一致的有限元模型；

Ø程序计算偏心抗压承载能力的过程如下：

a.首先按轴心受压构件进行验算，验算参考JTG04规范公式（5.3.1）；

b.按照JTG04规范公式（5.3.10）计算偏心距增大系数η；

c.当偏心矩较大时（），程序默认按大偏心受压构件计算，混凝土截面受压区高度按下面公式计算：

其中受拉钢筋应力。

由计算得到的值判断是否满足大偏心受压构件的判定条件，如果满足判定条件，此就是截面受压区高度，如果不满足，则要按小偏心受压构件进行验算。

当且满足时，按下式输出大偏心抗压承载能力

d.当偏心矩较小时（），程序默认按小偏心受压构件计算，此时钢筋应力没有达到钢筋的最大拉应力，最外层钢筋的应力按JTG04规范公式（5.3.4-1）计算，即，其中和值程序内部通过混凝土强度等级调取数据；，为第i层纵向钢筋截面重心至受压较大边边缘的距离，其中为第i层钢筋到截面边缘的距离。

混凝土受压区高度的计算采用与大偏心受压构件相同的公式，将代入方程后整理得到：

解此一元三次方程将得到3个值，根据与的关系分为以下三种情况计算钢筋应力：

i.当时，由计算得到的按JTG04规范公式（5.3.4-1）重新计算钢筋应力；

ii.当时，取；

iii.当时，说明构件全截面受压，取按照JTG04规范公式（5.3.4-1）重新计算钢筋应力；

根据计算得到的钢筋应力按下式输出小偏心抗压承载力

Ø“组合名称”表示计算内力所对应的荷载组合名称。

2）桥台强度验算

Ø桥台强度验算对应的是08抗震细则7.2.1的内容；

Ø程序暂时没有采用细则6.9中桥台水平地震力的计算方法，仅对E1和E2地震作用下B、C类桥梁采用相同的方法进行桥台强度验算；

Ø具体验算方法与“桥墩强度验算”相同，可参照上述内容的说明。

3）基础强度验算

Ø基础强度验算对应的是08抗震细则7.2.1、7.2.2和7.3.5的内容；

Ø由于E2弹塑性阶段的设计内力不易取得，所以目前程序不支持E2弹塑性阶段的基础强度验算；

Ø《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63—2007）4.2.2中计算基础强度的方法与程序计算梁单元组合应力相同，所以基础强度设计值程序直接调取后处理结果中抗震荷载组合作用下的梁单元应力，其中从梁单元应力结果表格中调取“轴向”结果作为轴压设计应力值，调取“Cb1~Cb4”中的最小值作为偏压设计应力值；

Ø地基承载力容许值Fa由用户在定义基础构件时输入，抗力系数按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63—2007）3.3.6的规定取值，当时，取，当时，取；

4）盖梁抗弯强度验算

Ø盖梁抗弯强度验算对应的是08抗震细则7.2.2和7.3.6的内容；

Ø程序仅对E1地震作用的D类和E2地震作用的B、C类桥梁进行盖梁抗弯强度验算，其中E1地震作用和E2地震作用（弹性）采用相同的验算方法，E2地震作用（弹塑性）采用细则6.8.3的计算方法；

ØE1和E2地震作用（弹性）时，程序直接调取抗震荷载组合计算的弯矩值作为盖梁抗弯强度设计值，抗弯承载力按照JTG04规范中公式（8.2.4-1）计算；

ØE2地震作用（弹塑性）时，程序首先按公式（6.8.3）计算盖梁抗弯强度设计值，其中墩柱上端截面弯矩值由P-M曲线取得，对于盖梁连接多个桥墩的情况，程序默认取所有桥墩墩顶弯矩的最大值作为，然后根据细则7.3.6的规定将计算的弯矩设计值与永久作用效应组合后作为盖梁弯矩的设计结果输出验算，抗弯承载力的计算方法同上；

Ø“最大/最小”表示不同抗震荷载组合产生的截面弯矩的最大、最小值；

Ø“类型”表示输出所属荷载组合的内力（最大、最小）状态，表格中的结果是采用“与输出内力状态同时发生的内力”计算的。

5）盖梁抗剪强度验算

Ø盖梁抗剪强度验算对应的是08抗震细则7.2.2和7.3.6的内容；

Ø程序仅对E1地震作用的D类和E2地震作用的B、C类桥梁进行盖梁抗弯强度验算，其中E1地震作用和E2地震作用（弹性）采用相同的验算方法，E2地震作用（弹塑性）采用6.8.4的计算方法；

ØE1和E2地震作用（弹性）时，程序直接调取抗震荷载组合计算的剪力值作为盖梁抗剪强度设计值，抗剪承载力按照JTG04规范中公式（8.2.6）计算；

ØE2地震作用（弹塑性）时，程序首先按公式（6.8.4）计算盖梁抗剪强度设计值，其中盖梁左、右截面的弯矩值和程序按JTG04规范中正截面抗弯承载力的公式进行计算，计算时材料强度的设计值改为标准值，然后根据7.3.6的规定将计算的剪力设计值与永久作用效应组合后作为盖梁剪力的设计结果输出验算，抗剪承载力的计算方法同上；

Ø“截面验算”表示按JTG04规范公式（8.2.5）对抗剪截面进行验算，当满足公式（8.2.5）要求时，显示“OK”，表示截面设计合理，否则显示“NG”，此时需对截面进行修改直到满足公式（8.2.5）的要求。

6）主拱抗弯强度验算

Ø主拱抗弯强度验算对应的是08抗震细则7.2.1和7.3.3的内容；

Ø程序仅对E1和E2地震作用的B、C类桥梁采用相同方法进行主拱抗弯强度验算，程序直接调取抗震荷载组合计算的弯矩值作为抗弯强度设计值，抗弯承载力按照JTG04规范5.2.2～5.2.5的内容进行计算；

Ø设计弯矩Mu为负值时，得到的Mn为负弯矩承载能力，设计弯矩Mu为正值时，得到的Mn为正弯矩承载能力；

Ø对截面受拉区内配置不同种类钢筋的受弯构件，其正截面相对界限受压区高度取相应于各种钢筋的较小者。

7）主拱偏压强度验算

Ø主拱偏压强度验算对应的是08抗震细则7.2.1和7.3.3的内容；

Ø程序仅对E1和E2地震作用的B、C类桥梁采用相同方法进行主拱偏压强度验算，程序直接调取抗震荷载组合计算的轴力值作为偏压强度设计值，抗压承载力的计算方法可参考JTG04规范5.3的内容；

Ø“主拱偏压强度验算”与“桥墩强度验算”方法相同，可参照上述内容的说明。

8）桥墩塑性铰抗剪强度验算

Ø桥墩塑性铰抗剪强度验算对应的是08抗震细则7.3.4的内容；

Ø程序仅在E2地震作用（弹塑性）时提供桥墩塑性铰抗剪强度验算功能；

Ø程序按公式（6.8.2-1）～（6.8.2-4）计算桥墩塑性铰区域的剪力值，计算时采用的具体公式由用户定义桥墩构件时对“塑性铰区域”的选择来决定，其中墩柱上、下截面的弯矩值、、和由P-M曲线得到，最后输出所有计算剪力中的最大值作为桥墩塑性铰区域的剪力设计值进行验算；

Ø桥墩塑性铰区域抗剪承载力按公式计算，其中箍筋提供的抗剪能力按公式计算，计算核心混凝土面积时，若一个截面输入有多个混凝土保护层厚度Dc值，则取最大值；

Ø“剪力方向”的顺桥向对应剪力Fz的结果，横桥向对应剪力Fy的结果。

9）支座厚度验算（板式橡胶支座）

Ø支座厚度验算（板式橡胶支座）对应的是08抗震细则7.2.3-1和7.5.1-1的内容；

ØE1和E2地震作用时程序采用相同的验算方法，其中顺桥向变形和横桥向变形均按公式（7.2.3-2）计算；

Ø对于顺桥向变形，程序从位移分析结果中调取地震荷载（反应谱）作用下弹性连接的两个节点在DX方向位移差的绝对值作为地震作用产生的顺桥向水平位移值（即两节点的相对位移），调取永久荷载作用下弹性连接的两个节点在DX方向位移差的绝对值作为永久作用产生的顺桥向水平位移值；

Ø对于横桥向变形，程序从位移分析结果中调取地震荷载（反应谱）作用下弹性连接的两个节点在DY方向位移差的绝对值作为地震作用产生的横桥向水平位移值（即两节点的相对位移），调取永久荷载作用下弹性连接的两个节点在DY方向位移差的绝对值作为永久作用产生的横桥向水平位移值；

Ø板式橡胶支座的橡胶层总厚度由用户输入，如果顺桥向和横桥向支座变形均小于支座厚度，说明支座厚度验算满足要求，显示“OK”，否则显示“NG”。

10）支座抗滑稳定性验算（板式橡胶支座）

Ø支座抗滑稳定性验算（板式橡胶支座）对应的是08抗震细则7.2.3-1和7.5.1-2的内容；

ØE1和E2地震作用时程序采用相同的验算方法，其中顺桥向水平力和横桥向水平力均按公式（7.2.3-4）计算；

Ø对于顺桥向水平力，程序从弹性连接分析结果中调取地震荷载（反应谱）作用下“剪力-z”平均值的绝对值作为地震作用产生的顺桥向水平力，调取永久荷载作用下“剪力-z”平均值的绝对值作为永久作用产生的顺桥向水平力；

Ø对于横桥向水平力，程序从弹性连接分析结果中调取地震荷载（反应谱）作用下“剪力-y”平均值的绝对值作为地震作用产生的横桥向水平力，调取永久荷载作用下“剪力-y”平均值的绝对值作为永久作用产生的横桥向水平力；

Ø对于水平力容许值，程序从弹性连接分析结果中调取自重荷载（恒荷载）作用下“轴向”平均值的绝对值作为上部结构重力在支座上产生的反力，支座的动摩阻系数由用户输入，如果顺桥向和横桥向水平力均小于水平力容许值，说明支座抗滑稳定性验算满足要求，显示“OK”，否则显示“NG”。

11）支座水平位移验算（活动盆式支座）

Ø支座水平位移验算（活动盆式支座）对应的是08抗震细则7.2.3-2和7.5.2的内容；

ØE1和E2地震作用时程序采用相同的验算方法，顺桥向水平位移和横桥向水平位移均按公式（7.2.3-6）计算；

Ø对于顺桥向水平位移，程序从时程分析结果中调取地震荷载（时程）作用下一般连接的两个节点在DZ方向的绝对最大值作为地震作用产生的顺桥向水平位移值，从位移分析结果中调取永久荷载作用下一般连接的两个节点在DX方向位移差的绝对值作为永久作用产生的顺桥向水平位移值；

Ø对于横桥向水平位移，程序从时程分析结果中调取地震荷载（时程）作用下一般连接的两个节点在DY方向的绝对最大值作为地震作用产生的横桥向水平位移值，从位移分析结果中调取永久荷载作用下一般连接的两个节点在DY方向位移差的绝对值作为永久作用产生的横桥向水平位移值；

Ø活动盆式支座容许滑动的水平位移由用户输入，验算判断方法参照“支座厚度验算（板式橡胶支座）”的内容。

12）支座水平力验算（固定盆式支座）

Ø支座水平力验算（固定盆式支座）对应的是08抗震细则7.2.3-2和7.5.2的内容；

ØE1和E2地震作用时支座顺桥向和横桥向水平力均按公式（7.2.3-8）计算，具体计算方法与板式橡胶支座抗滑稳定性验算相同，可参考后者验算内容的说明；

Ø固定盆式支座容许承受的最大水平力由用户输入，验算判断方法参照“支座抗滑稳定性验算（板式橡胶支座）”的内容。

13）桥墩墩顶位移验算（规则桥梁）

Ø桥墩墩顶位移验算（规则桥梁）对应的是08抗震细则7.4.6的内容；

Ø程序仅在E2地震作用（弹塑性）时提供桥墩墩顶位移验算功能；

ØE2地震作用产生的墩顶位移按细则公式（6.7.6）计算，其中墩顶水平位移是根据验算的桥墩构件由E2地震荷载产生的内力值与由“弯矩-曲率”曲线得到的截面有效刚度值计算而来的，结构周期调整系数按细则表6.7.6取值，其中的结构自振周期程序默认取结构一阶周期；

Ø桥墩容许位移按细则公式（7.4.7）计算，其中塑性铰区域的最大容许转角按公式（7.4.3-1）计算，截面的等效屈服曲率和极限曲率在“弯矩-曲率曲线”中调取，对于双柱墩、排架墩的顺桥向容许位移仍按公式（7.4.7）计算，横桥向容许位移则由用户在定义桥墩构件时直接输入数值，程序不提供自动计算功能。

14）塑性转动能力验算

Ø塑性转动能力验算对应的是08抗震细则7.4.2的内容；

Ø程序仅在E2地震作用（弹塑性）时提供塑性转动能力验算功能，且不能与“桥墩墩顶位移验算”同时选择；

Ø对桥墩构件进行塑性转动能力验算必须定义时程荷载，否则程序因调取不到数据而无法进行验算；

Ø程序调取桥墩构件塑性铰区域（定义有非弹性铰的连续单元）内所有单元i、j端的塑性转角累加值作为E2地震作用产生的塑性转角，如果每个桥墩构件定义了多个塑性铰区域（存在多组连续非弹性铰单元），则输出该桥墩构件中所有塑性铰区域的塑性转角累加值中的最大值作为塑性转角的结果；

Ø验算时区分顺桥向和横桥向，在“结果〉非弹性铰〉变形”中Rz的转角累加值作为顺桥向的塑性转角的结果，Ry的转角累加值作为横桥向的塑性转角的结果；

Ø塑性铰区域的最大容许转角按公式（7.4.3-1）计算，其中截面的等效屈服曲率和极限曲率在“弯矩-曲率曲线”中调取，等效塑性铰长度按公式（7.4.3-2）和（7.4.3-3）计算。