橋梁抗震、減震若干新問題課件

1、橋梁抗震、減震若干新問題橋梁抗震、減震若干新問題及其進展及其進展同濟大學(xué)同濟大學(xué)李建中李建中20092009年年8 8月月 基于性能抗震設(shè)計思想基于性能抗震設(shè)計思想橋梁抗震體系橋梁抗震體系基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的易損性研究地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的易損性研究橋梁減隔震及防落梁措施橋梁減隔震及防落梁措施主要內(nèi)容主要內(nèi)容1 基于性能抗震設(shè)計基于性能抗震設(shè)計 基于性能的抗震設(shè)計實際上是一總體設(shè)計思想，主要指基于性能的抗震設(shè)計實際上是一總體設(shè)計思想，主要指結(jié)構(gòu)在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性能結(jié)構(gòu)在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性能達到一組預(yù)期的性能目標(biāo)。達

2、到一組預(yù)期的性能目標(biāo)。 R a re e v e n tsO c c a sio n a l e v e n ts非 彈 性 范 圍F re q u e n t e v e n ts彈 性 范 圍水平地震力V e ry ra re e v e n ts墩 頂 水 平 位 移破 壞基于性能抗震設(shè)計基于性能抗震設(shè)計設(shè)計地震水準(zhǔn)與抗震性能等級的關(guān)系設(shè)計地震水準(zhǔn)與抗震性能等級的關(guān)系地地震震設(shè)設(shè)防防水水準(zhǔn)準(zhǔn)等級1 等級2 等級3 等級4基本目標(biāo)不可接受性能提高目標(biāo)1提高目標(biāo)2抗震性能目標(biāo)抗震性能目標(biāo)水準(zhǔn)I水準(zhǔn)II水準(zhǔn)III水準(zhǔn)IV基于性能抗震設(shè)計思想基于性能抗震設(shè)計思想保證結(jié)構(gòu)工作在彈性范圍內(nèi)保證結(jié)構(gòu)工

3、作在彈性范圍內(nèi)保證結(jié)構(gòu)上、下部整體工作狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)上、下部整體工作狀態(tài)，震后可立即修復(fù)震后可立即修復(fù)結(jié)構(gòu)總體變形（延性）結(jié)構(gòu)總體變形（延性）主要構(gòu)件危險截面的極限狀態(tài)保證主要構(gòu)件危險截面的極限狀態(tài)保證（包括能力設(shè)計）（包括能力設(shè)計）無損傷無損傷有限損傷有限損傷嚴(yán)重?fù)p傷而不倒塌嚴(yán)重?fù)p傷而不倒塌針對不同概率水平地震設(shè)防水準(zhǔn)、不同的結(jié)構(gòu)部件，研針對不同概率水平地震設(shè)防水準(zhǔn)、不同的結(jié)構(gòu)部件，研究相應(yīng)的抗震性能指標(biāo)和地震損傷、破壞風(fēng)險究相應(yīng)的抗震性能指標(biāo)和地震損傷、破壞風(fēng)險 基于性能抗震設(shè)計基于性能抗震設(shè)計基于性能的抗震設(shè)計內(nèi)容主要包括：基于性能的抗震設(shè)計內(nèi)容主要包括： 科學(xué)的定義和確定地震危險性（科

4、學(xué)的定義和確定地震危險性（seismic hazardseismic hazard）； 結(jié)構(gòu)在不同水平地震作用下?lián)p傷狀態(tài)、性能水平結(jié)構(gòu)在不同水平地震作用下?lián)p傷狀態(tài)、性能水平 （Performance LevelsPerformance Levels）、性能指標(biāo)；）、性能指標(biāo)； 設(shè)計方法。在設(shè)計初始就明確結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，并且使設(shè)計方法。在設(shè)計初始就明確結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，并且使通過設(shè)計，使結(jié)構(gòu)在設(shè)計地震作用的反應(yīng)能夠達到預(yù)先通過設(shè)計，使結(jié)構(gòu)在設(shè)計地震作用的反應(yīng)能夠達到預(yù)先確定的性能目標(biāo)確定的性能目標(biāo) 由于性能設(shè)計包含的內(nèi)容很廣，特別是在對地震動、結(jié)構(gòu)的由于性能設(shè)計包含的內(nèi)容很廣，特別是在對地震動、結(jié)

5、構(gòu)的損傷狀態(tài)及性能指標(biāo)，目前的研究水平還很難達到對復(fù)雜結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)及性能指標(biāo)，目前的研究水平還很難達到對復(fù)雜結(jié)構(gòu)物進行完全的性能設(shè)計。物進行完全的性能設(shè)計?；谛阅芸拐鹪O(shè)計基于性能抗震設(shè)計基于性能的基于性能的抗震設(shè)計抗震設(shè)計地震設(shè)防水準(zhǔn)地震設(shè)防水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的確定結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的確定結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的預(yù)測結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的預(yù)測設(shè)計方法設(shè)計方法實現(xiàn)能力、需求的平衡實現(xiàn)能力、需求的平衡地震需求地震需求抗震能力抗震能力地震輸入地震輸入基于性能抗震設(shè)計思想基于性能抗震設(shè)計思想EQPlasticHinge2 2 橋梁抗震體系橋梁抗震體系類性類性1 1：上部、基礎(chǔ)彈性，墩柱延性設(shè)計：上部、基礎(chǔ)彈性，墩柱延性設(shè)計E

6、QDuctileSuperstructure類性類性2 2：墩柱、基礎(chǔ)彈性，上部結(jié)構(gòu)延性：墩柱、基礎(chǔ)彈性，上部結(jié)構(gòu)延性鋼橋鋼橋橋梁抗震體系橋梁抗震體系EQSeismicIsolation類性類性3 3：墩柱、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)彈性，支座彈縮性減：墩柱、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)彈性，支座彈縮性減 隔震設(shè)計隔震設(shè)計橋梁抗震體系橋梁抗震體系支承連接部件失效支承連接部件失效支承連支承連接部件接部件失效失效固定支座：固定支座：強度不足強度不足活動支座：活動支座：位移能力不足位移能力不足橡膠支座橡膠支座：梁底與支座底滑動梁底與支座底滑動墩、臺支承寬度墩、臺支承寬度不足、防落梁措不足、防落梁措施設(shè)計不合理施設(shè)計不合理（限

7、位裝置）（限位裝置）落梁落梁梁體較梁體較大位移大位移梁、墩梁、墩臺間較臺間較大位移大位移伸縮縫、擋伸縮縫、擋塊破壞（碰塊破壞（碰撞問題）撞問題）足夠搭接長度足夠搭接長度合理設(shè)計防落梁合理設(shè)計防落梁措施和限位裝置措施和限位裝置延性構(gòu)件延性構(gòu)件能力保護構(gòu)件能力保護構(gòu)件橋墩橋墩 橫梁（蓋梁）、基礎(chǔ)、墩柱抗剪橫梁（蓋梁）、基礎(chǔ)、墩柱抗剪 、支座、支座梁墩相對位移梁墩相對位移 延性構(gòu)件延性構(gòu)件橋梁抗震體系橋梁抗震體系nyu曲率nMyMMu彎距=Vc0Vc0Mn_0coMMcoPVcon0= M (a) 脆性鏈子 (b)延性鏈子PP脆性鏈子，強度為脆性鏈子，強度為Pib延性鏈子，強度延性鏈子，強度為為Pd

8、脆性鏈子，強度為PibP圖3-14 能力設(shè)計原理的簡單范例橋梁抗震體系橋梁抗震體系能力保護構(gòu)件能力保護構(gòu)件nyu曲 率nMyMMu彎 距=Vc0Vc0Mn_0能力保護能力保護墩柱抗剪墩柱抗剪蓋梁蓋梁橋梁基礎(chǔ)橋梁基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)可能出現(xiàn)塑性鉸處按實配鋼應(yīng)根據(jù)可能出現(xiàn)塑性鉸處按實配鋼筋，并采用材料強度標(biāo)準(zhǔn)值和軸壓筋，并采用材料強度標(biāo)準(zhǔn)值和軸壓力計算出的彎矩承載能力力計算出的彎矩承載能力, ,考慮超考慮超強系數(shù)來計算強系數(shù)來計算 coMMcoPVcon0= MGMGMMGMGllrrstststMMstVVcocococo橋梁抗震體系橋梁抗震體系L水平力水平力位移位移D橋梁結(jié)構(gòu)單墩模型橋梁結(jié)構(gòu)單墩模型D單

9、質(zhì)點單自由度體系單質(zhì)點單自由度體系多質(zhì)點，基礎(chǔ)振型起主要貢獻，等效為單自由度體系多質(zhì)點，基礎(chǔ)振型起主要貢獻，等效為單自由度體系多自點，高階振型貢獻不能忽略，多自由體系多自點，高階振型貢獻不能忽略，多自由體系3 基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計目前在單自由度體系方面研究得較多，并取得了大量成果！目前在單自由度體系方面研究得較多，并取得了大量成果！多自由體系？多自由體系？基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計單柱墩單柱墩yy中性軸ixyix形心軸oAiiyinyu曲 率nMyMMu彎 距=Vc0Vc0Mn_ _ _0004. 0c06. 0018. 0scor2()()32ypuuypLLLL 相應(yīng)于各

10、級性能水平的目標(biāo)位移的確定相應(yīng)于各級性能水平的目標(biāo)位移的確定基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計ACTACT3232對橋梁抗震性能水平的建議對橋梁抗震性能水平的建議基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計Caltrans建議建議Kowalsky和和Priestly建議建議基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計較復(fù)雜構(gòu)件：非線性靜力分析（推倒分析較復(fù)雜構(gòu)件：非線性靜力分析（推倒分析基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計位移需求（結(jié)構(gòu)地震位移反應(yīng)）位移需求（結(jié)構(gòu)地震位移反應(yīng)）位位移移需需求求直接利用彈性位移反應(yīng)譜計算直接利用彈性位移反應(yīng)譜計算利用修正彈性反應(yīng)譜或非線性反應(yīng)譜計算利用修正彈性反應(yīng)譜或非線性反應(yīng)譜計算能力譜方

11、法能力譜方法非線性地震時程分析方法非線性地震時程分析方法等效線性法方法等效線性法方法基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計bVUNF能力譜方法能力譜方法基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計輸人初始條件輸人初始條件 質(zhì)量質(zhì)量M M，墩高墩高L L給定目標(biāo)位移給定目標(biāo)位移u u屈服位移屈服位移y y計算位移延性系數(shù)計算位移延性系數(shù)=u u/y y計算等效阻尼比計算等效阻尼比eqeq利用位移反應(yīng)譜計算有效周期利用位移反應(yīng)譜計算有效周期T Teffeff計算有效剛度計算有效剛度K Keffeff確定極限水平力確定極限水平力H Hu u 和彎矩和彎矩M Mu u根據(jù)彎矩根據(jù)彎矩M Mu u確定截面尺寸和縱向配筋確

12、定截面尺寸和縱向配筋設(shè)計橫向鋼筋設(shè)計橫向鋼筋224effeffMKTueffuuuHKMHL 0%5%10%20%位移周期yueffKcrKuH力位移MLH基于位移抗震設(shè)計基于位移抗震設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性目前對結(jié)構(gòu)的易損性研究主要是通過對結(jié)構(gòu)在不同水平地目前對結(jié)構(gòu)的易損性研究主要是通過對結(jié)構(gòu)在不同水平地震動作用下?lián)p傷程度來得到概率意義上的易損性曲線。易震動作用下?lián)p傷程度來得到概率意義上的易損性曲線。易損性曲線可以是通過震害調(diào)查得到，也可以是通過理論計損性曲線可以是通過震害調(diào)查得到，也可以是通過理論計算得到，這里主要介紹理論方法。算得到，這里主要介紹理論方法。由于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

13、從地面運動到結(jié)構(gòu)性能兩方面固有的隨由于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)從地面運動到結(jié)構(gòu)性能兩方面固有的隨機性和不確定性，采用機性和不確定性，采用IDAIDA（Incremental dynamic Incremental dynamic analysisanalysis）方法結(jié)合概率方法對橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行易損性）方法結(jié)合概率方法對橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行易損性研究，從而為橋梁結(jié)構(gòu)基于性能的設(shè)計和評估提供基礎(chǔ)，研究，從而為橋梁結(jié)構(gòu)基于性能的設(shè)計和評估提供基礎(chǔ)，已成為研究熱點。已成為研究熱點。增量動力分析（增量動力分析（IDAIDA）是近年發(fā)展起來的一種動力參數(shù)分析方法，其主）是近年發(fā)展起來的一種動力參數(shù)分析方法，其主要過程

14、為：要過程為：將地震波的加速度分別乘以一系列加速度調(diào)整系數(shù)將地震波的加速度分別乘以一系列加速度調(diào)整系數(shù), ,使之成為一組不使之成為一組不同強度的地震波，分別進行非線性動力時程分析，同強度的地震波，分別進行非線性動力時程分析，通過繪制所研究結(jié)構(gòu)性能（通過繪制所研究結(jié)構(gòu)性能（Damage Measure）參數(shù)與地震強度參數(shù)與地震強度（intensity measure）的的IDAIDA曲線，來研究結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的整曲線，來研究結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的整個損傷、破壞的全過程。個損傷、破壞的全過程?？梢酝ㄟ^結(jié)構(gòu)在多條地震波下的可以通過結(jié)構(gòu)在多條地震波下的IDAIDA，將，將“線線”分析拓展為分析拓

15、展為“面面”分分析，析，橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性A fragility curve describes the probability of reaching or A fragility curve describes the probability of reaching or exceeding a damage state as a function of a chosen ground exceeding a damage state as a function of a chosen ground motion intensity parameter (typicall

16、y peak ground or motion intensity parameter (typically peak ground or spectral acceleration).spectral acceleration).dScS不同地震水平地震作用下的需求不同地震水平地震作用下的需求性能指標(biāo)要求性能指標(biāo)要求橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性00.250.50.75100.20.40.60.81PGA (g)Probability of Being ExceededMinorModerateMajorCollapse0.600.800.950.4

17、0Median PGA (g)Log-S.DMinor0.400.8Moderate0.60Major0.80Collapse0.95Fragility Curves橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性Fragility Curves for Caltrans Bridges00.20.40.60.8100.20.40.60.811.2PGA (g)Probability of Exceeding Damage StateMinor DamageModerate DamageMajor DamageCollapse橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性4 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計橋梁減隔震原理和

18、一般規(guī)定橋梁減隔震原理和一般規(guī)定基本原理基本原理加速度反應(yīng)譜加速度反應(yīng)譜阻尼減少阻尼減少周期延長周期延長加速度譜加速度譜周期周期 （T）位移反應(yīng)譜位移反應(yīng)譜阻尼減少阻尼減少周期延長周期延長位移譜位移譜周期周期 （T） 采用柔性支承延長結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；采用柔性支承延長結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；采用阻尼器裝置耗散能量，限制結(jié)構(gòu)位移；采用阻尼器裝置耗散能量，限制結(jié)構(gòu)位移；保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有足夠的剛度保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有足夠的剛度 減隔震技術(shù)的適用條件減隔震技術(shù)的適用條件 上部結(jié)構(gòu)連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)剛度較大，結(jié)構(gòu)基本振動周期比較短；上部結(jié)構(gòu)連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)剛度較大，結(jié)

19、構(gòu)基本振動周期比較短； 橋梁下部結(jié)構(gòu)高度變化不規(guī)則，剛度分配不均勻；橋梁下部結(jié)構(gòu)高度變化不規(guī)則，剛度分配不均勻； 場地條件比較好，預(yù)期地面運動特性具有較高的卓越頻率；場地條件比較好，預(yù)期地面運動特性具有較高的卓越頻率； 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計不宜采用減隔震設(shè)計條件不宜采用減隔震設(shè)計條件地震作用下，場地可能失效；地震作用下，場地可能失效；下部結(jié)構(gòu)剛度小，橋梁的基本周期比較長；下部結(jié)構(gòu)剛度小，橋梁的基本周期比較長；位于軟弱場地，延長周期可能引起地基和橋梁共振；位于軟弱場地，延長周期可能引起地基和橋梁共振；支座中可能出現(xiàn)負(fù)反力。支座中可能出現(xiàn)負(fù)反力。 減隔震設(shè)計的橋梁，應(yīng)滿足正常使用條件的要求。相

20、鄰上部結(jié)構(gòu)之減隔震設(shè)計的橋梁，應(yīng)滿足正常使用條件的要求。相鄰上部結(jié)構(gòu)之間須在橋臺、橋墩等處設(shè)置足夠的間隙，以滿足位移需求。間須在橋臺、橋墩等處設(shè)置足夠的間隙，以滿足位移需求。減隔震設(shè)計的橋梁，其基本周期原則上應(yīng)為不采用減隔震裝置時基本減隔震設(shè)計的橋梁，其基本周期原則上應(yīng)為不采用減隔震裝置時基本周期的兩倍以上。周期的兩倍以上。 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計40cm60cm49cm碰即脫頂塊 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計鉛芯橡膠支座鉛芯橡膠支座 鋼板鋼板橡膠層橡膠層鉛芯鉛芯橡膠保橡膠保護層護層鉛芯橡膠支座鉛芯橡膠支座分層橡膠支座中部插入鉛芯而形成的隔震裝置。分層橡膠支座中部插入鉛芯而形成的隔震裝置。鉛芯：

21、鉛芯：提供地震下的耗能能力和靜力荷載下所需剛度提供地震下的耗能能力和靜力荷載下所需剛度( (初始剪初始剪切剛度切剛度G G約約130MPa130MPa鉛芯橡膠支座滯回鉛芯橡膠支座滯回曲線曲線keffFminu- 支座滯回曲線kukuXYu+FmaxQd-Qd+kd-kd+恢復(fù)力模型：恢復(fù)力模型：常用雙線性表示。常用雙線性表示。減隔震裝置減隔震裝置整體型減隔震裝置整體型減隔震裝置 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計Lead rubber bearing 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計支座水平剪力支座水平剪力地震力地震力溫度變形溫度變形產(chǎn)生的力產(chǎn)生的力風(fēng)或制動力風(fēng)或制動力鉛芯屈服力鉛芯屈服力溫度變形（長期）溫度變

22、形（長期）地震位移（短期）地震位移（短期）力力- -變形曲線（短期荷載）變形曲線（短期荷載）力力- -變形曲線（蠕變荷載）變形曲線（蠕變荷載）鉛芯橡膠支座在不同荷載作用下的抗力比較鉛芯橡膠支座在不同荷載作用下的抗力比較溫度、徐變等蠕變變形引起的支座抗力很低溫度、徐變等蠕變變形引起的支座抗力很低 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計K x (相對位移)xy-xyF(x) (剪力)力)Kp-x0 x0Qy-QyF(I)A(I)B(I)E(II)D(II)C(II)雙線性恢復(fù)力模型雙線性恢復(fù)力模型鉛芯橡膠支座鉛芯橡膠支座恢復(fù)力模型：恢復(fù)力模型： 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計 高阻尼橡膠支座高阻尼橡膠支座采用特殊配制

23、的橡膠材料制作，形狀及構(gòu)造與天然橡膠支座采用特殊配制的橡膠材料制作，形狀及構(gòu)造與天然橡膠支座相同。橡膠材料粘性大，自身可以吸收能量。相同。橡膠材料粘性大，自身可以吸收能量。滯回環(huán)的面積較大，恢復(fù)力模型可采用修正雙線性模型。滯回環(huán)的面積較大，恢復(fù)力模型可采用修正雙線性模型。高阻尼橡膠支座滯回曲線高阻尼橡膠支座滯回曲線 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計不穩(wěn)定不穩(wěn)定隨遇穩(wěn)定隨遇穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定 摩擦擺隔震支座摩擦擺隔震支座 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計 FPIFPI是將滑動支座和鐘擺的概念相結(jié)合構(gòu)成一種新的隔震裝置。是將滑動支座和鐘擺的概念相結(jié)合構(gòu)成一種新的隔震裝置。支座可以在任何方向滑動，其尺寸主要由最大設(shè)計位移控制。支座可以在任何方向滑動，其尺寸主要由最大設(shè)計位移控制。PTFEPTFE支承材料支承材料關(guān)節(jié)式摩擦滑塊關(guān)節(jié)式摩擦滑塊鍍鉻鋼球形曲面鍍鉻鋼球形曲面FPI 隔震裝置構(gòu)造示意圖隔震裝置構(gòu)造示意圖 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計DWDRWFsgnRWKh212gRTRDDWDRWWDeff224DWRWKeff 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計 橋梁減震設(shè)計橋梁減震設(shè)計分離型減隔震裝置分離型減隔震裝置 橡膠支座橡膠支座+ +金屬阻尼