桥梁抗震、减震若干新问题.ppt
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桥梁抗震、减震若干新问题桥梁抗震、减震若干新问题及其进展及其进展同济大学同济大学李建中李建中20092009年年88月月基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想桥梁抗震体系桥梁抗震体系基于位移抗震设计基于位移抗震设计地震作用下桥梁结构的易损性研究地震作用下桥梁结构的易损性研究桥梁减隔震及防落梁措施桥梁减隔震及防落梁措施主要内容主要内容1基于性能抗震设计基于性能抗震设计基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想,主要指基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想,主要指结构在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能结构在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能达到一组预期的性能目标。
达到一组预期的性能目标。
基于性能抗震设计基于性能抗震设计设计地震水准与抗震性能等级的关系设计地震水准与抗震性能等级的关系地地震震设设防防水水准准等级1等级2等级3等级4基本目标不可接受性能提高目标1提高目标2抗震性能目标抗震性能目标水准I水准II水准III水准IV基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想无损伤无损伤有限损伤有限损伤严重损伤而不倒塌严重损伤而不倒塌针对不同概率水平地震设防水准、不同的结构部件,研针对不同概率水平地震设防水准、不同的结构部件,研究相应的抗震性能指标和地震损伤、破坏风险究相应的抗震性能指标和地震损伤、破坏风险基于性能抗震设计基于性能抗震设计基于性能的抗震设计内容主要包括:
基于性能的抗震设计内容主要包括:
科学的定义和确定地震危险性(科学的定义和确定地震危险性(seismichazardseismichazard);结构在结构在不同水平地震不同水平地震作用下损伤状态、性能水平作用下损伤状态、性能水平(PerformanceLevelsPerformanceLevels)、)、性能指标;性能指标;设计方法。
设计方法。
在设计初始就明确结构的性能目标,并且使在设计初始就明确结构的性能目标,并且使通过设计,使结构在设计地震作用的反应能够达到预先通过设计,使结构在设计地震作用的反应能够达到预先确定的性能目标确定的性能目标由于性能设计包含的内容很广,特别是在对地震动、结构的由于性能设计包含的内容很广,特别是在对地震动、结构的损伤状态及性能指标,目前的研究水平还很难达到对复杂结构损伤状态及性能指标,目前的研究水平还很难达到对复杂结构物进行完全的性能设计。
物进行完全的性能设计。
基于性能抗震设计基于性能抗震设计基于性能的基于性能的抗震设计抗震设计地震设防水准地震设防水准结构性能目标的确定结构性能目标的确定结构地震反应的预测结构地震反应的预测设计方法设计方法实现能力、需求的平衡实现能力、需求的平衡地震需求地震需求抗震能力抗震能力地震输入地震输入基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想22桥梁抗震体系桥梁抗震体系类性类性11:
上部、基础弹性,墩柱延性设计:
上部、基础弹性,墩柱延性设计类性类性22:
墩柱、基础弹性,上部结构延性:
墩柱、基础弹性,上部结构延性钢桥钢桥桥梁抗震体系桥梁抗震体系类性类性33:
墩柱、基础、上部结构弹性,支座弹缩性减:
墩柱、基础、上部结构弹性,支座弹缩性减隔震设计隔震设计桥梁抗震体系桥梁抗震体系支承连接部件失效支承连接部件失效支承连支承连接部件接部件失效失效固定支座:
固定支座:
强度不足强度不足活动支座:
活动支座:
位移能力不足位移能力不足橡胶支座橡胶支座:
梁底与支座底滑动梁底与支座底滑动墩、台支承宽度墩、台支承宽度不足、防落梁措不足、防落梁措施设计不合理施设计不合理(限位装置)(限位装置)落梁落梁梁体较梁体较大位移大位移梁、墩梁、墩台间较台间较大位移大位移伸缩缝、挡伸缩缝、挡块破坏(碰块破坏(碰撞问题)撞问题)足够搭接长度足够搭接长度合理设计防落梁合理设计防落梁措施和限位装置措施和限位装置延性构件延性构件能力保护构件能力保护构件桥墩桥墩横梁(盖梁)、基础、墩柱抗剪横梁(盖梁)、基础、墩柱抗剪、支座、支座梁墩相对位移梁墩相对位移延性构件延性构件桥梁抗震体系桥梁抗震体系(a)脆性链子(b)延性链子PP脆性链子,强度为脆性链子,强度为Pib延延性性链链子子,强强度度为为Pd脆性链子,强度为PibP图3-14能力设计原理的简单范例桥梁抗震体系桥梁抗震体系能力保护构件能力保护构件能力保护能力保护墩柱抗剪墩柱抗剪盖梁盖梁桥梁基础桥梁基础应根据可能出现塑性铰处按实配钢应根据可能出现塑性铰处按实配钢筋,并采用材料强度标准值和轴压筋,并采用材料强度标准值和轴压力计算出的弯矩承载能力力计算出的弯矩承载能力,考虑超考虑超强系数来计算强系数来计算桥梁抗震体系桥梁抗震体系L水平力水平力位移位移D桥梁结构单墩模型桥梁结构单墩模型D单质点单自由度体系单质点单自由度体系多质点,基础振型起主要贡献,等效为单自由度体系多质点,基础振型起主要贡献,等效为单自由度体系多自点,高阶振型贡献不能忽略,多自由体系多自点,高阶振型贡献不能忽略,多自由体系3基于位移抗震设计基于位移抗震设计目前在单自由度体系方面研究得较多,并取得了大量成果!
目前在单自由度体系方面研究得较多,并取得了大量成果!
多自由体系?
多自由体系?
基于位移抗震设计基于位移抗震设计单柱墩单柱墩相应于各级性能水平的目标位移的确定相应于各级性能水平的目标位移的确定基于位移抗震设计基于位移抗震设计ACTACT3232对桥梁抗震性能水平的建议对桥梁抗震性能水平的建议基于位移抗震设计基于位移抗震设计Caltrans建议建议Kowalsky和和Priestly建议建议基于位移抗震设计基于位移抗震设计较复杂构件:
非线性静力分析(推倒分析较复杂构件:
非线性静力分析(推倒分析基于位移抗震设计基于位移抗震设计位移需求(结构地震位移反应)位移需求(结构地震位移反应)位位移移需需求求直接利用弹性位移反应谱计算直接利用弹性位移反应谱计算利用修正弹性反应谱或非线性反应谱计算利用修正弹性反应谱或非线性反应谱计算能力谱方法能力谱方法非线性地震时程分析方法非线性地震时程分析方法等效线性法方法等效线性法方法基于位移抗震设计基于位移抗震设计能力谱方法能力谱方法基于位移抗震设计基于位移抗震设计输人初始条件输人初始条件质量质量MM,墩高墩高LL给定目标位移给定目标位移uu屈服位移屈服位移yy计算位移延性系数计算位移延性系数=uu/yy计算等效阻尼比计算等效阻尼比eqeq利用位移反应谱计算有效周期利用位移反应谱计算有效周期TTeffeff计算有效刚度计算有效刚度KKeffeff确定极限水平力确定极限水平力HHuu和弯矩和弯矩MMuu根据弯矩根据弯矩MMuu确定截面尺寸和纵向配筋确定截面尺寸和纵向配筋设计横向钢筋设计横向钢筋0%5%10%20%位移周期力位移MLH基于位移抗震设计基于位移抗震设计桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性目前对结构的易损性研究主要是通过对结构在不同水平地目前对结构的易损性研究主要是通过对结构在不同水平地震动作用下损伤程度来得到概率意义上的易损性曲线。
易震动作用下损伤程度来得到概率意义上的易损性曲线。
易损性曲线可以是通过震害调查得到,也可以是通过理论计损性曲线可以是通过震害调查得到,也可以是通过理论计算得到,这里主要介绍理论方法。
算得到,这里主要介绍理论方法。
由于结构地震响应从地面运动到结构性能两方面固有的随由于结构地震响应从地面运动到结构性能两方面固有的随机性和不确定性,采用机性和不确定性,采用IDAIDA(IncrementaldynamicIncrementaldynamicanalysisanalysis)方法结合概率方法对桥梁结构系统进行易损性方法结合概率方法对桥梁结构系统进行易损性研究,从而为桥梁结构基于性能的设计和评估提供基础,研究,从而为桥梁结构基于性能的设计和评估提供基础,已成为研究热点。
已成为研究热点。
增量动力分析(增量动力分析(IDAIDA)是近年发展起来的一种动力参数分析方法,其主要是近年发展起来的一种动力参数分析方法,其主要过程为:
过程为:
将地震波的加速度分别乘以一系列加速度调整系数将地震波的加速度分别乘以一系列加速度调整系数,使之成为一组不同使之成为一组不同强度的地震波,分别进行非线性动力时程分析,强度的地震波,分别进行非线性动力时程分析,通过绘制所研究结构性能(通过绘制所研究结构性能(DamageMeasure)参数与地震强度参数与地震强度(intensitymeasure)的的IDAIDA曲线,来研究结构在地震荷载作用下的整曲线,来研究结构在地震荷载作用下的整个损伤、破坏的全过程。
个损伤、破坏的全过程。
可以通过结构在多条地震波下的可以通过结构在多条地震波下的IDAIDA,将将“线线”分析拓展为分析拓展为“面面”分析,分析,桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性AfragilitycurvedescribestheprobabilityofreachingorAfragilitycurvedescribestheprobabilityofreachingorexceedingadamagestateasafunctionofachosengroundexceedingadamagestateasafunctionofachosengroundmotionintensityparameter(typicallypeakgroundormotionintensityparameter(typicallypeakgroundorspectralacceleration).spectralacceleration).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标要求性能指标要求桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性0.600.800.950.40MedianPGA(g)Log-S.DMinor0.400.8Moderate0.60Major0.80Collapse0.95FragilityCurves桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性FragilityCurvesforCaltransBridges0.50.5桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性4桥梁减震设计桥梁减震设计桥梁减隔震原理和一般规定桥梁减隔震原理和一般规定基本原理基本原理加速度反应谱加速度反应谱阻尼减少阻尼减少周期延长周期延长加加速速度度谱谱周期周期(T)位移反应谱位移反应谱阻尼减少阻尼减少周期延长周期延长位位移移谱谱周期周期(T)采用柔性支承延长结构周期,减小结构地震反应;采用柔性支承延长结构周期,减小结构地震反应;采用阻尼器装置耗散能量,限制结构位移;采用阻尼器装置耗散能量,限制结构位移;保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度减隔震技术的适用条件减隔震技术的适用条件上部结构连续,下部结构刚度较大,结构基本振动周期比较短;上部结构连续,下部结构刚度较大,结构基本振动周期比较短;桥梁下部结构高度变化不规则,刚度分配不均匀;桥梁下部结构高度变化不规则,刚度分配不均匀;场地条件比较好,预期地面运动特性具有较高的卓越频率;场地条件比较好,预期地面运动特性具有较高的卓越频率;桥梁减震设计桥梁减震设计不宜采用减隔震设计条件不宜采用减隔震设计条件地震作用下,场地可能失效;地震作用下,场地可能失效;下部结构刚度小,桥梁的基本周期比较长;下部结构刚度小,桥梁的基本周期比较长;位于软弱场地,延长周期可能引起地基和桥梁共振;位于软弱场地,延长周期可能引起地基和桥梁共振;支座中可能出现负反力。
支座中可能出现负反力。
减隔震设计的桥梁,应满足正常使用条件的要求。
相邻上部结构之减隔震设计的桥梁,应满足正常使用条件的要求。
相邻上部结构之间须在桥台、桥墩等处设置足够的间隙,以满足位移需求。
间须在桥台、桥墩等处设置足够的间隙,以满足位移需求。
减隔震
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