基于性能的桥梁抗震设计课件.pptx

1、主要内容桥梁地震灾害概述桥梁抗震设计理论的发展基于性能抗震设计思想的提出规则梁桥基于位移的抗震设计小结桥梁地震灾害概述位移引发的震害：落梁1971年美国的年美国的San Fernando 地震地震梁体脱座梁体脱座整孔落梁整孔落梁桥梁地震灾害概述位移引发的震害：落梁1995年日本的阪神地震年日本的阪神地震西宫港大桥，主西宫港大桥，主跨跨252252米的钢系米的钢系杆拱桥第一跨由杆拱桥第一跨由于支承面搭接长于支承面搭接长度小于主桥和引度小于主桥和引桥间的相对位移桥间的相对位移而引发落梁震害。而引发落梁震害。桥梁地震灾害概述位移引发的震害：落梁2008年我国的汶川地震年我国的汶川地震庙庙子子坪坪大大

2、桥桥桥梁地震灾害概述位移引发的震害：桥台坍塌1990年哥斯达黎加地震年哥斯达黎加地震破坏之前的桥台破坏之前的桥台破坏之后的桥台破坏之后的桥台Rio Banano Bridge桥梁地震灾害概述位移引发的震害：桥台坍塌1990年哥斯达黎加地震年哥斯达黎加地震Rio Viscaya Bridge在上部主梁强大的水在上部主梁强大的水平惯性力冲撞和台后平惯性力冲撞和台后被动土压力的双重作被动土压力的双重作用下，桥台发生大角用下，桥台发生大角度的倾覆，背墙断裂，度的倾覆，背墙断裂，桩基断折。桩基断折。桥梁地震灾害概述位移引发的震害：碰撞主梁与桥台间的碰撞主梁与桥台间的碰撞主梁与桥墩间的碰撞主梁与桥墩间的碰

3、撞相邻主梁间的碰撞相邻主梁间的碰撞桥梁地震灾害概述位移引发的震害：支座失效/破坏2008年我国的汶川地震年我国的汶川地震映秀岷江桥映秀岷江桥寿江大桥寿江大桥桥梁地震灾害概述位移引发的震害：挡块破坏2008年我国的汶川地震年我国的汶川地震映秀岷江桥映秀岷江桥庙子坪大桥庙子坪大桥桥梁地震灾害概述墩柱震害：弯曲破坏19941994年美国年美国Northridge EarthquakeBull Creek Canyon Channel bridge19951995年日本阪神地震年日本阪神地震墩柱纵筋搭接失效破坏墩柱纵筋搭接失效破坏桥梁地震灾害概述墩柱震害：弯曲破坏1989年美国年美国Loma Prie

4、taLoma Prieta Earthquake20082008年汶川地震年汶川地震百华大桥墩柱弯曲破坏百华大桥墩柱弯曲破坏桥梁地震灾害概述墩柱震害：弯曲破坏19951995年日本阪神地震年日本阪神地震中，中，Hanshin高速公高速公路高架桥墩柱由于纵路高架桥墩柱由于纵筋长度不够、箍筋数筋长度不够、箍筋数量不足而导致全桥侧量不足而导致全桥侧倾倾桥梁地震灾害概述墩柱震害：剪切破坏19711971年美国年美国San FernandoSan Fernando Earthquake墩柱塑性铰区内发生剪切破坏墩柱塑性铰区内发生剪切破坏19951995年日本阪神地震年日本阪神地震墩柱在半高处发生剪弯破坏

5、墩柱在半高处发生剪弯破坏桥梁地震灾害概述墩柱震害：剪切破坏19871987年美国年美国WhittierEarthquake I-5/I-605Separator桥墩柱的脆桥墩柱的脆性剪切破坏性剪切破坏19941994年美国年美国NorthridgeNorthridgeEarthquake I-10高速高速公路下线桥墩柱的剪公路下线桥墩柱的剪切破坏切破坏19941994年美国年美国NorthridgeNorthridgeEarthquake I-118高速高速公路下线桥墩柱的剪公路下线桥墩柱的剪切破坏切破坏桥梁地震灾害概述墩柱震害：剪切破坏横梁处节点横梁处节点破坏破坏2008年汶川地震年汶川地震

6、百华大桥墩柱震害百华大桥墩柱震害墩柱底部剪切破坏墩柱底部剪切破坏桥梁地震灾害概述墩柱震害：基脚破坏19711971年美国年美国San FernandoSan Fernando Earthquake墩柱的墩柱的22根螺纹钢筋被全根螺纹钢筋被全部从基脚中拔出，墩柱发部从基脚中拔出，墩柱发生倒塌生倒塌桥梁地震灾害概述节点震害19891989年美国年美国Loma Prieta Loma Prieta Earthquake墩柱内侧面正弯矩裂缝墩柱内侧面正弯矩裂缝19891989年美国年美国Loma Prieta EarthquakeLoma Prieta EarthquakeI-280 China Ba

7、sin viaduct盖梁节点的弯曲剪切破坏盖梁节点的弯曲剪切破坏桥梁地震灾害概述节点震害19891989年美国年美国Loma Prieta Loma Prieta Earthquake Cypress viaductEarthquake Cypress viaduct上层高价桥的立柱节点钢上层高价桥的立柱节点钢筋锚固失效，上层桥面结筋锚固失效，上层桥面结构坍塌构坍塌桥梁地震灾害概述节点震害19891989年美国年美国Loma PrietaLoma PrietaEarthquake I-880 高架高架立柱节点破坏立柱节点破坏19891989年美国年美国Loma PrietaLoma Prie

8、taEarthquake Embarcadero高架立柱节点破坏高架立柱节点破坏19891989年美国年美国Loma PrietaLoma PrietaEarthquake I-980 高架高架立柱节点破坏立柱节点破坏桥梁地震灾害概述桥梁种种震害带来思考桥梁应如何桥梁应如何有效地进行抗震设计？有效地进行抗震设计？桥梁抗震设计理论的发展一阶段抗震设计思想 以结构强度作为破坏准则静力法：静力法：1899年日本的大年日本的大房森吉房森吉ggWFMKWg反应谱法：反应谱法：1943年美国的年美国的M.A.Biot提出，提出，1948年年G.W.Housner提出基于反提出基于反应谱理论的抗震计算的动应

9、谱理论的抗震计算的动力法力法线弹性单自由度线弹性单自由度反应谱反应谱综合影响系数综合影响系数多自由度反应谱多自由度反应谱maxgFMyKWZFCKWiZijiiFCKW 桥梁抗震设计理论的发展一阶段抗震设计思想 反应谱概念：桥梁抗震设计理论的发展一阶段抗震设计思想 设计反应谱概念：不同自振周期的单自由度系统在不同地震时程波作用下的峰值加速度反不同自振周期的单自由度系统在不同地震时程波作用下的峰值加速度反应按照场地和概率水平进行光滑化包络处理，即设计反应谱。应按照场地和概率水平进行光滑化包络处理，即设计反应谱。maxmaxmax5.50.450.10.1gggSTTsSSsTTSTTTTmax2

10、.25isdSCC C A桥梁抗震设计理论的发展一阶段抗震设计思想 静力法：忽略了地面运动特性和结构的动力特性。忽略了地面运动特性和结构的动力特性。反应谱法：综合影响系数取值过于笼统，无法考虑地震波综合影响系数取值过于笼统，无法考虑地震波 输入的相位差、非线性二次效输入的相位差、非线性二次效 应、结构应、结构-基基础础-土共同作用等。土共同作用等。桥梁抗震设计理论的发展两/三阶段抗震设计思想 破坏准则兼顾结构强度和变形二阶段设计：保证结构的强度；二阶段设计：保证结构的强度；验算结构的变形（延性）验算结构的变形（延性）三阶段设计：小震不坏；中震三阶段设计：小震不坏；中震可修；大震不倒可修；大震不

11、倒设计地震设计地震超设计地震超设计地震中等地震中等地震动态时程分析法动态时程分析法桥梁抗震设计理论的发展我国现行的桥梁抗震设计规范 公路桥梁抗震设计细则(JTG-T B02-01-2008)城市桥梁抗震设计规范(CJJ 166-2011)采用了“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准设防目标和两阶段抗震设计方法；采用弹性方法计算桥梁在小震作用下的强度，用计算所得的组合内力验算构件截面；考虑结构的延性，并引入能力保护原则，进行桥梁在大震作用下的变形/延性指标验算；桥梁的延性和耗能能力大多是通过构造措施获得。桥梁抗震设计理论的发展我国现行桥梁抗震设计规范的地震水准、性能目标和性能指标地震水准地震水准

12、性能目标性能目标性能指标性能指标多遇地震（重现期根据桥梁分类为25100年）不受损伤或不需修复可继续使用强度基本地震（重现期475年）可发生局部轻微损伤，经简单修复或不需修复可继续使用不明确罕遇地震（重现期大约2000年）应保证桥梁不致倒塌或产生严重结构损伤位移/延性桥梁抗震设计理论的发展我国现行桥梁抗震设计规范的设防分类和设防标准桥梁抗桥梁抗震设防震设防类别类别设防目标设防目标E1地震地震E2地震地震A类一般不受损伤或不需修复可继续使用可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用B类一般不受损伤或不需修复可继续使用应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用C类一

13、般不受损伤或不需修复可继续使用应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用D类一般不受损伤或不需修复可继续使用桥梁抗震设计理论的发展我国现行桥梁抗震设计规范的不足 设计方法：设计方法：实质依然以基于强度为主，辅以延性或位移验算，难以对桥梁进行经济性评估。设防水准：设防水准：“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防思想规定较模糊，在实际设计中很难控制。性能指标：性能指标：“不坏”、“可修”、“不倒”三种设防目标缺乏缺乏明确合理的指标予以保证。基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的演化历程 1976年，新西兰学者R.Park提出的基于能力原理的抗震设计，其中已包

14、含许多关于性能设计的思想；1981年，M.A.Sozen首先系统地阐述了控制结构位移的抗震设计思想；上个世纪九十年代初，J.P.Moehle提出了基于位移的抗震设计理论；1995年，M.J.Kowalsky和G.M.Calvi提出了一种直接基于位移的抗震设计方法；二十世纪九十年代，美、日学者提出并开始研究建筑结构基于性能/位移的抗震设计，随后得到各国的广泛关注。基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的演化历程 加州结构工程师协会（SEAOC）在1995年提出的新建结构基于性能的抗震设计建议Vision2000。在Vision2000中，除了借鉴了ATC-40和FEMA-273中关于性能

15、目标的定义外，还针对结构的重要性和地震设防水准，建立了结构的性能矩阵。结构的性能矩阵结构的性能矩阵性能矩阵蕴含了性能性能矩阵蕴含了性能目标选择的两个基本目标选择的两个基本原则，即在不同的地原则，即在不同的地震设防水准下，结构震设防水准下，结构物应对应于不同的性物应对应于不同的性能目标；对不同重要能目标；对不同重要性的结构物，性能目性的结构物，性能目标应有所区别标应有所区别。基于性能抗震设计思想的提出基于性能的抗震设计思想的特点 性能目标的多级性：在不同的地震设防水准下，结构满足不同等级的性能要求；性能目标的可选性：根据结构的用途及业主、使用者等的特殊要求，由工程师同业主、使用者共同研究制订结构

16、的性能目标；结构抗震性能的可控制性：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确定的性能目标。基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容地震输入地震输入抗震能力抗震能力地震需求地震需求实现能力、需求的平衡实现能力、需求的平衡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基于性能的基于性能的抗震设计抗震设计基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容 地震设防水准的确定地震设防水准的确定地震设防水准的确定地震危险性曲线及危险性特性研究地震危险性曲线及危险性特性研

17、究地震易损性分析地震易损性分析地震经济损失估计地震经济损失估计经济最优设防烈度的决策经济最优设防烈度的决策地震人员伤亡估计方法地震人员伤亡估计方法社会可接受地震死亡率研究社会可接受地震死亡率研究最优安全设防烈度的决策最优安全设防烈度的决策 基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容 地震设防水准的确定设防水准设防水准重现期（年）重现期（年）超越概率超越概率水准一4330年50%水准二7250年50%水准三47550年10%水准四97050年5%或100年10%水准五247550年2%Vision2000定义的地震设防水准定义的地震设防水准基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计

18、思想的主要内容 结构性能目标的确定设防水准设防水准生命安全与使用情况生命安全与使用情况结构损伤情况结构损伤情况 位移限制位移限制水准一结构功能完整，生命安全，可立即使用基本完好0.2%水准二稍加维修即可使用轻微损伤0.5%水准三结构发生需要进行大量维修的损伤中等损伤1.5%水准四结构发生无法修复的损伤，接近倒塌严重损伤2.5%Vision2000定义的定义的位移性能目标位移性能目标基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容 结构地震反应的预测方法 动态时程分析方法：精确；但计算量大、分析复杂 替代结构法：简便易行；但存在等效阻尼比和振型阻尼比的计算问题 弹塑性静力分析法：计算简单

19、，可得到结构从开始到破坏的全过程信息，便于对结构的性能做出恰当的评价，在基于性能的抗震设计中得到了广泛的应用，如ATC-40和FEMA-273；但对高阶振型影响的考虑尚有欠缺基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容 基于性能的抗震设计方法 这是目前基于性能的抗震设计方法从理论到实践的最大障碍：破坏准则、合理的性能参数、性能参数的量化等。目前，基于位移的抗震设计（Displacement-based seismic design）是实现基于性能抗震设计思想的一条有效途径。基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的一般步骤满足性能目标满足性能目标YESNO结构达到预期的性能结

20、构达到预期的性能根据业主要求和经济条件确定性能目标根据业主要求和经济条件确定性能目标根据性能目标进行结构设计根据性能目标进行结构设计对已设计的结构进行性能评估对已设计的结构进行性能评估规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效 规则桥梁：基础振型起绝对贡献作用，可等效为单自由度体系。非规则桥梁：高阶振型的影响不能忽略。桥梁结构单墩模型桥梁结构单墩模型规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效替代结构与等效单自由度体系的转化替代结构与等效单自由度体系的转化（a）替代结构（b）等效单自由度体系规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效假设 与 之间有如下的比例关系：假设加速度与位移之间成正比

21、例关系，则由式（1）可得：令替代结构的惯性力合力与等效SDOF体系的惯性力相等，则有：由式（3），则可得到等效SDOF体系的质量为：由式（3）和（4）可得到作用于替代结构上每个自由度的惯性力为：ieqiieqc iieqac aeqiiieqiiFFmaamceqiimmciiiiiiiiieqeqeqiiiimcmFmamc aFFmcm（1）（2）（3）（4）（5）规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效令替代结构的惯性力做功之和与等效SDOF体系惯性力所做的功相等，即：将式（5）代入上式，则有：由式（1）、（4）、（6），即可得到等效SDOF体系的质量、目标位移，等效刚度可由等效SD

22、OF的惯性力和目标位移得到，如下式：根据目标位移 ，得到各个桥墩的目标位移延性系数 ，按下式计算替代结构中各个桥墩的等效阻尼比 和等效SDOF体系的阻尼比 ：eqeqiiFF2iieqiimmeqeqeqKFii,eq ieq,110.051eq iii（6）（7）（8）（9）规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效 由于在设计初始，桥墩的屈服力未知，因而无法按式（10）来计算权重 ，鉴于此，Kowalsky建议可以取各个桥墩 的平均值来作为初始的 。（10）,ieqeq iiiyiiQQQFiQ,eq ieq规则梁桥基于位移的抗震设计进行等效SDOF体系的设计 根据等效SDOF体系的等效

23、质量、目标位移和等效阻尼比，就可以得到等效SDOF体系的设计力。计算MDOF体系中各个桥墩的设计力 根据等效SDOF体系的设计力，按照桥墩设计弯矩相等的原则，计算原MDOF体系中各个桥墩相应的设计力，并据此进行截面的配筋设计。确定新的目标位移模式 根据各个桥墩的设计力和前面确定的目标位移，按下式重新确定墩柱的等效刚度:,eq iyiiKF（11）规则梁桥基于位移的抗震设计 基于这个等效刚度，重新对替代结构进行振型分析，计算结构新的目标位移模式，并同上次确定的目标位移模式进行对比。如相差较大，则以新的目标位移模式为起点，重复上述过程，直到收敛。基于位移设计方法的设计流程基于位移设计方法的设计流程规则梁桥基于位移的抗震设计 从上述推导过程可以看出，MDOF体系基于位移抗震设计方法的关键主要在于以下两个方面：如何根据结构的实际情况，合理地选择目标位移模式；在设计过程中，如何保证结构在设计地震下的位移反应接近于给定的目标位移模式。而要实现这一点，首先必须要有一套简便的、精确的位移需求计算方法。小结基于性能的抗震设计方法应用于工程实践有待于完善的地方 地震动水平 确定 结构性能目标确定 结构变形限制指标的确定 非结构构件的影响 要继续研究结构的抗震分析方法 继续完善非线性动力分析方法 性能指标与投资效益的关系谢谢谢谢