橋梁延性抗震設(shè)計

1、第7章 橋梁延性抗震設(shè)計 n71延性的基本概念n72延性對橋梁抗震的意義n73延性抗震設(shè)計方法簡介 n20世紀(jì)60年代，以紐馬克(newmark)為首的學(xué)者基于結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)研究，提出用“延性”的概念來概括結(jié)構(gòu)物超過彈性階段后的抗震能力。他們認(rèn)為在抗震設(shè)計中，除了強度與剛度之外，還必須重視加強結(jié)構(gòu)延性。n另一方面，人們也從震害中認(rèn)識到了結(jié)構(gòu)的延性。震害調(diào)查顯示，在強烈的地震動作用下，按規(guī)范進行抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)很多情況下并不具備抵抗強震的足夠強度，但有些結(jié)構(gòu)卻沒有倒塌，甚至沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞。這些結(jié)構(gòu)能夠在地震中幸存，是因為結(jié)構(gòu)的初始強度能夠基本維持，沒有因非彈性變形的加劇而過度下降，也即具有

2、較好的延性。 n目前，抗震設(shè)計方法正在從傳統(tǒng)的強度理論向延性抗震理論過渡，大多數(shù)多地震國家的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范已采納了延性抗震理論。延性抗震理論不同于強度理論的是，它是通過結(jié)構(gòu)選定部位的塑性變形(形成塑性鉸)來抵抗地震作用的。利用選定部位的塑性變形，不僅能消耗地震能量，還能延長結(jié)構(gòu)周期，從而減小地震反應(yīng)。71延性的基本概念 n711延性的定義 n通常定義為在初始強度沒有明顯退化情況下的非彈性變形能力。它包括兩個方面的能力，一是承受較大的非彈性變形，同時強度沒有明顯下降的能力；二是利用滯回特性吸收能量的能力。n從延性的本質(zhì)來看，它反映了一種非彈性變形的能力，即結(jié)構(gòu)從屈服到破壞的后期變形能力，這種能

3、力能保證強度不會因為發(fā)生非彈性變形而急劇下降。 7.1.2延性指標(biāo) n（1）曲率延性系數(shù)n（2）位移延性系數(shù)72延性對橋梁抗震的意義 n地震之所以造成結(jié)構(gòu)損壞甚至倒塌，在于它激起的地震慣性力超過了結(jié)構(gòu)的強度。如果純粹依靠強度來抵抗地震作用，無疑會造成材料的巨大浪費。因此，在工程抗震中，一般都希望利用結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性抗震，即利用塑性鉸減小地震力，并耗散能量。n從變形的角度看，地震造成結(jié)構(gòu)損壞的原因，在于它激起的變形超出了結(jié)構(gòu)的彈性極限變形；同樣，地震造成結(jié)構(gòu)倒塌的原因，在于它激起的反復(fù)的彈塑性變形，超出了結(jié)構(gòu)的滯回延性。因此，如果通過設(shè)計，使結(jié)構(gòu)具有能夠適應(yīng)大震彈塑性變形的滯回延性，則結(jié)構(gòu)在遭遇

4、大地震時，盡管可能嚴(yán)重?fù)p壞，但結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的最低目標(biāo)免于倒塌破壞，卻始終能得到保證。這種思想即為延性抗震設(shè)計的基本思想。 n從能量的觀點看，結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計的基本原理，是將結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件設(shè)計成具有較好的滯回延性，在預(yù)期的地震動作用下，通過延性構(gòu)件發(fā)生的反復(fù)彈塑性變形循環(huán)耗散掉大量的地震輸入能量，從而保證結(jié)構(gòu)的抗震安全。 n必須指出的是，延性抗震在經(jīng)濟上的優(yōu)勢是以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損壞為代價的。這也是延性抗震設(shè)計的一個主要缺陷。 73延性抗震設(shè)計方法簡介 n要保證延性結(jié)構(gòu)在大震下以延性的形式反應(yīng)，能夠充分發(fā)揮延性構(gòu)件的延性能力，就必須確保不發(fā)生脆性的破壞模式(如剪切破壞)，以及防止脆性構(gòu)件和不希望

5、發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件發(fā)生破壞。要達到這一目的，就要采用能力設(shè)計方法進行延性抗震設(shè)計。這一方法，目前正逐漸為世界各國的規(guī)范所接受。 n能力保護設(shè)計原則的基本思想在于:通過設(shè)計，使結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護構(gòu)件形成強度等級差異，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性的破壞模式。731能力設(shè)計方法 n與常規(guī)的強震設(shè)計方法相比，能力設(shè)計方法強調(diào)可以控制的延性設(shè)計。常規(guī)設(shè)計方法與能力設(shè)計方法 結(jié)構(gòu)抗震性能常規(guī)設(shè)計方法能力設(shè)計方法塑性鉸出現(xiàn)位置不明確預(yù)定的構(gòu)件部位塑性鉸的布局隨機預(yù)先選擇局部延性需求難以估計與整體延性需求直接聯(lián)系結(jié)構(gòu)整體抗震性能難以預(yù)測可以預(yù)測防止結(jié)構(gòu)倒塌破壞概率有限概率意義上的最大限度n能力設(shè)計方法

6、是抗震概念設(shè)計的一種體現(xiàn)，它的主要優(yōu)點是設(shè)計人員可對結(jié)構(gòu)在屈服時、屈服后的性狀給予合理的控制，即結(jié)構(gòu)屈服后的性能是按照設(shè)計人員的意圖出現(xiàn)的，這是傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法所達不到的。n此外，根據(jù)能力設(shè)計方法設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有很好的韌性，能最大限度地避免結(jié)構(gòu)倒塌，同時也降低了結(jié)構(gòu)對許多不確定因素的敏感性。 能力設(shè)計方法進行延性設(shè)計的步驟n 1)在概念設(shè)計階段，選擇合理的結(jié)構(gòu)布局；n 2)確定地震中預(yù)期出現(xiàn)的彎曲塑性鉸的合理位置，并保證結(jié)構(gòu)能形成一個適當(dāng)?shù)乃苄院哪軝C制；n 3)對潛在塑性鉸區(qū)域，通過計算分析或估算建立截面“彎矩一轉(zhuǎn)角”之間的對應(yīng)關(guān)系；然后利用這些關(guān)系確定結(jié)構(gòu)的位移延性和塑性鉸區(qū)截面的預(yù)期抗彎強度

7、；n 4)對選定的塑性耗能構(gòu)件，進行抗彎設(shè)計；n 5)估算塑性鉸區(qū)截面在發(fā)生設(shè)計預(yù)期的最大延性范圍內(nèi)的變形時，其可能達到的最大抗彎強度；n 6)按塑性鉸區(qū)截面的彎曲超強強度，進行塑性耗能構(gòu)件的抗剪設(shè)計以及能力保護構(gòu)件的強度設(shè)計； n7)對塑性鉸區(qū)域進行細(xì)致的構(gòu)造設(shè)計，以確保潛在塑性鉸區(qū)截面的延性能力。 n8）對于脆性構(gòu)件或不希望出現(xiàn)塑性變形的構(gòu)件，確保其強度安全等級高于包含塑性鉸的構(gòu)件7.3.2 潛在塑性鉸位置的選擇7.3.2 潛在塑性鉸位置的選擇 n橋梁預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的位置通常在便于發(fā)現(xiàn)和易于修復(fù)的墩柱的下端或上端，把鋼筋混凝土橋墩設(shè)計成延性構(gòu)件。74 鋼筋混凝土橋墩的延性設(shè)計 n1.鋼筋混

8、凝土橋墩的延性性能n（1）軸壓比：軸壓比提高，延性下降n（2）箍筋用量：適當(dāng)加密箍筋配置，可以大幅度提高延性。n（3）箍筋形狀：螺旋箍比矩形箍有更好的約束效果。n（4）混凝土強度：強度越高，延性越低n（5）保護層厚度：厚度增大，對延性不利。n（6）縱向受拉鋼筋：縱向受拉鋼筋的增加，總體上對延性有不利的影響。n（7）截面形式：空心截面比實心截面延性好；圓形截面的延性比矩形截面的好。 7.4.2延性橋梁的抗震構(gòu)造設(shè)計 n1延性橋墩中縱向鋼筋的考慮 7.4.2延性橋梁的抗震構(gòu)造設(shè)計n1延性橋墩中縱向鋼筋的考慮 n縱向鋼筋對約束混凝土墩柱的延性有較大影響，因此，延性墩柱中縱向鋼筋含量不應(yīng)太低。n但縱向

9、鋼筋的含量太高，不利施工，另外，縱向鋼筋含量過高還會影響墩柱的延性，所以縱向鋼筋的含量應(yīng)有一上限。n根據(jù)我國橋梁結(jié)構(gòu)的具體情況，08細(xì)則建議墩柱縱向鋼筋的配筋率范圍0.006 -0.04。2延性橋墩中橫向鋼筋的考慮 n橫向箍筋有延性橋墩中起到三個方面的作用：、用于約束塑性鉸區(qū)混凝土；二、提供抗剪能力；三、防止縱向鋼筋壓屈。因此，各國規(guī)范對延性橋墩中橫向箍筋的有關(guān)規(guī)定也是最多的。 n為了能提供更好的約束效果，caltrans規(guī)范還規(guī)定縱筋之間的最大間距不得超過20cm；歐洲規(guī)范規(guī)定縱筋之間的最大間距不得超過核心混凝土最小尺寸的13或35cm，但可以超過20cm；新西蘭規(guī)范規(guī)定，對矩形及圓形截面延

10、件橋墩，縱筋之間的最大間距不得超過截面直徑的14，也不得超過20cm。 3 延性橋墩塑性鉸區(qū)長度的規(guī)定 n橋墩塑性鉸區(qū)長度用于確定實際施工中延性橋墩箍筋加密段的長度n等效塑性鉸長度則只是理論上的一個概念。n各國現(xiàn)行規(guī)范都對延性橋墩的塑性鉸區(qū)長度作了明確的規(guī)定。4延性橋墩中鋼筋的錨固與搭接 n因鋼筋錨固與搭接細(xì)部設(shè)計不當(dāng)引起的橋梁震害，在多次破壞性地震中都時有發(fā)現(xiàn)。由于延性橋墩預(yù)期在大震作用下，即使保護層混凝土脫落，抗力也沒有明顯的下降。因此，從保證橋墩的延性能力方面看，對塑性鉸區(qū)截面內(nèi)鋼筋的錨固和搭接細(xì)節(jié)都必須加以仔細(xì)的考慮。各國現(xiàn)行規(guī)范對這方面也都作了明確的規(guī)定。 7.5 b 類、c 類橋梁墩柱的變形驗算n1.在e2 地震作用下，一般情況應(yīng)驗算潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力，但對于規(guī)則橋梁，可驗算橋墩墩頂?shù)奈灰?對于高寬比小于2.5 的矮墩，可不驗算橋墩的變形，但應(yīng)驗算強度。n2 在e2 地震作用下，應(yīng)按下式驗算橋墩潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力:np一一在e2 地震作用下，潛在塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)角;n u-塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角。7.6能力保護構(gòu)件設(shè)計n能力保護