ch5 橋梁延性抗震設(shè)計

1、1 2022-6-30 橋梁抗震第五章第五章 橋梁延性抗震設(shè)計橋梁延性抗震設(shè)計 延性的基本概念延性的基本概念 延性對橋梁抗震的意義延性對橋梁抗震的意義 延性抗震設(shè)計方法延性抗震設(shè)計方法 鋼筋混凝土墩柱的延性設(shè)計鋼筋混凝土墩柱的延性設(shè)計目前，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。2 2022-6-30 橋梁抗震5.1 延性的基本概念延性的基本概念5.1.1 延性的定義延性的定義材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的延性，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。 承受較大非彈性變形，同時強度沒有明顯下降的能力 利用

2、滯回特性吸收能量的能力材料的延性:發(fā)生了較大的非彈性變形，強度沒有明顯下降/脆性結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性：局部延性結(jié)構(gòu)的延性：整體延性在地震動（隨機反復(fù)荷載）作用下，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的在地震動（隨機反復(fù)荷載）作用下，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性會有所降低。延性會有所降低。3 2022-6-30 橋梁抗震 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5051015202530354045-30-20-100102030 模型2 軸壓比：15%含箍率：0.40%配筋率：1.13%砼強度：19.4橫向力(KN)墩頂橫向位移(mm) -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5051

3、015202530354045-40-30-20-10010203040模型3 軸壓比：20%含箍率：0.57%配筋率：1.54%砼強度：19.4橫向力(KN)墩頂橫向位移(mm)實測恢復(fù)力曲線實測恢復(fù)力曲線截面尺寸：10cm*10cm墩高：100cm保護層厚度：1.5cm4 2022-6-30 橋梁抗震5.1.2 延性指標(biāo)延性指標(biāo)（1）曲率延性系數(shù)）曲率延性系數(shù) MmaxMyMu屈服點開裂點彎矩最大點失效點圖5.1 截面彎矩曲率關(guān)系示意圖yu塑性鉸區(qū)截面的極限曲率與屈服曲率之比：yu（2）位移延性系數(shù)）位移延性系數(shù)構(gòu)件的位移延性系數(shù)構(gòu)件的最大位移與屈服位移之比：yu結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù) 與結(jié)構(gòu)

4、的布置有關(guān)鋼筋混凝土截面的屈服曲率：*截面最外層受拉鋼筋初始屈服時（適筋構(gòu)件）*截面混凝土受壓區(qū)最外層纖維初次達到峰值應(yīng)變值時（超筋構(gòu)件或高軸壓比軸壓比構(gòu)件）極限曲率：*被箍筋約束的核心混凝土達到極限壓應(yīng)變*臨界截面的抗彎能力下降到最大彎矩值的85%。5 2022-6-30 橋梁抗震圖5.2 理論屈服曲率定義美國加州Caltrans抗震設(shè)計規(guī)范中，采用的理論屈服曲率定義：所包圍的面積相等 yiiyMM6 2022-6-30 橋梁抗震 一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可能有較大的變形能力，但它實際可利用的延性卻可能較低。 一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可能有較大的延性，但最大位移延性系數(shù)卻可能較低。5.1.3 延性、位移延性系數(shù)

5、與變形能力延性、位移延性系數(shù)與變形能力變形能力延性 y u 變形抗力RRy位移延性系數(shù)u/y 圖5.2 延性、位移延性系數(shù)和變形能力圖5.3 柔性高墩與延性矮墩的比較 sy ty su tu 變形抗力R矮墩的力位移曲線高墩的力位移曲線s6t37 2022-6-30 橋梁抗震5.1.4 曲率延性系數(shù)與位移延性系數(shù)的關(guān)系曲率延性系數(shù)與位移延性系數(shù)的關(guān)系 (a) (b)M (C)屈服 (d)極限狀態(tài)圖 5.4 懸臂墩曲率分布dxdxx)(ylxx)(墩底截面剛剛屈服時231lyy等效塑性鉸長度 ：假設(shè)在墩底附近存在一個長度為 的等塑性曲率段，在該段長度內(nèi)截面的塑性曲率等于墩底截面的最大塑性曲率plp

6、l)(yuppl)5 . 0()()5 . 0(ppyuppplllll8 2022-6-30 橋梁抗震)5 . 01 () 1(311llllppypypy歐洲規(guī)范Eurocode 8：yspfdll022. 008. 0hlp)6 . 04 . 0(表5.2 橋墩位移延性系數(shù)與長細比的關(guān)系hl /2.5510202020hlp5 . 020給定： 臨界截面的曲率延性系數(shù)比相應(yīng)的墩頂位移延性系數(shù)要大得多 在截面及材料特性均相同的條件下，墩越高，位移延性系數(shù)越低基于試驗的經(jīng)驗公式9 2022-6-30 橋梁抗震5.1.5 橋梁結(jié)構(gòu)的整體延性與構(gòu)件局部延性的關(guān)系橋梁結(jié)構(gòu)的整體

7、延性與構(gòu)件局部延性的關(guān)系橋梁結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)，通常定義為上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心處的極限位移與屈服位移之比。單墩模型：結(jié)構(gòu)的屈服位移和極限位移分別對應(yīng)于墩底截面到達屈服曲率和極限曲率時。yrTbyfbytyC (a)具有可變形的基礎(chǔ)和彈性支座 （b）結(jié)構(gòu)屈服位移圖5.5 “單墩模型”橋梁結(jié)構(gòu)的屈服位移tyyuypyptytuCC) 1(CCCCyuytytut) 1() 1(11ybrTC變形增大系數(shù)假定只有橋墩發(fā)生非彈性變形：考慮支座彈性變形和基礎(chǔ)柔度影響時，結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)比橋墩的位移延性系數(shù)??；而且支座和基礎(chǔ)的附加柔度越大，結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)越小。10 2022-6-30 橋梁抗震* 純粹依

8、靠強度抗震不經(jīng)濟，希望利用延性抗震，即利用塑性鉸減小地震力，并耗散能量。* 使結(jié)構(gòu)具有能夠適應(yīng)大地震激起的反復(fù)的彈塑性變形循環(huán)的滯回延性* 地震輸入能量地震輸入能量=結(jié)構(gòu)的動能+彈性應(yīng)變能+阻尼耗能+滯回耗能通過延性構(gòu)件在地震動下發(fā)生的反復(fù)的彈塑性變形循環(huán)，耗散掉大量的地震輸入能量，保證結(jié)構(gòu)的抗震安全5.2 延性對延性對橋梁抗震的意義橋梁抗震的意義圖5.6 滯回耗能與彈性應(yīng)變能示意圖延性抗震必須以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損壞為代價。延性抗震必須以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損壞為代價。能量強度變形11 2022-6-30 橋梁抗震5.3 延性抗震設(shè)計方法簡介延性抗震設(shè)計方法簡介延性抗震，必須保證結(jié)構(gòu)具有的延性

9、（）超過預(yù)期地震動所能激起的最大非彈性變形（）。規(guī)則橋梁：簡化的延性抗震設(shè)計復(fù)雜橋梁：非線性動力時程分析要充分發(fā)揮延性能力，必須采用進行延性設(shè)計12 2022-6-30 橋梁抗震5.3.1 能力設(shè)計方法能力設(shè)計方法 (a) 脆性鏈子 (b)延性鏈子圖5.7 能力設(shè)計方法的原理示意圖PP脆性鏈子，強度為延性鏈子 強度為Pd脆性鏈子，強度為ibPibPibPibP1dPy2假設(shè)延性鏈子的設(shè)計強度為Pd，其可能發(fā)揮的最大強度（超強）為 ，其中， 為超強因子。為保證整個鏈接破壞時是延性的，要求所有脆性鏈子的設(shè)計強度滿足：dP00dibPP0在結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護構(gòu)件（脆性構(gòu)件以及不希望發(fā)生非

10、彈性變形的構(gòu)件）之間建立強度安全等級差異（如同保險絲），以確保結(jié)構(gòu)不會發(fā)生脆性的破壞模式。13 2022-6-30 橋梁抗震能力設(shè)計方法的主要優(yōu)點：設(shè)計者可對結(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)計者的意圖出現(xiàn)的。最大限度地避免倒塌，降低對不確定因素的敏感性。表5.3 結(jié)構(gòu)抗震性能比較結(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 塑性鉸的布局 局部延性需求 結(jié)構(gòu)整體抗震性能 防止結(jié)構(gòu)倒塌破壞概率不明確隨機難以估計難以預(yù)測有限預(yù)定的構(gòu)件部位預(yù)先選擇與整體延性需求直接聯(lián)系可以預(yù)測概率意義上的最大限度采用能力設(shè)計方法進行延性抗震設(shè)計，一般分為三步： (1) 選定

11、潛在塑性鉸位置，對塑性鉸區(qū)截面進行強度和延性設(shè)計(2) 延性構(gòu)件中脆性破壞模式檢算(3) 能力保護構(gòu)件設(shè)計14 2022-6-30 橋梁抗震5.3.2 潛在塑性鉸位置的選擇潛在塑性鉸位置的選擇圖5.8 潛在塑性鉸位置的選擇選擇結(jié)構(gòu)中預(yù)期出現(xiàn)的塑性鉸位置時，應(yīng)能使結(jié)構(gòu)獲得最結(jié)構(gòu)獲得最優(yōu)的耗能優(yōu)的耗能，并盡可能使預(yù)期的塑性鉸出現(xiàn)在易于發(fā)現(xiàn)和易預(yù)期的塑性鉸出現(xiàn)在易于發(fā)現(xiàn)和易于修復(fù)的結(jié)構(gòu)部位。于修復(fù)的結(jié)構(gòu)部位。15 2022-6-30 橋梁抗震16 2022-6-30 橋梁抗震5.3.3 延性構(gòu)件設(shè)計延性構(gòu)件設(shè)計規(guī)則橋梁：實際結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)可以近似簡化為單自由度系統(tǒng)進行分析的橋梁（即規(guī)則橋梁的地震反應(yīng)

12、以一階振型為主 ）。屬于規(guī)則橋梁的橋梁結(jié)構(gòu)：跨數(shù)不能太多，橋梁縱、橫向的質(zhì)量分布、剛度分布以及幾何形狀都不能有突變，相鄰橋墩的剛度差異不能太大，橋墩長細比應(yīng)處于一定范圍，橋址的地形、地質(zhì)沒有突變，而且橋址場地不會有液化危險，等等。安裝隔震支座和（或）阻尼器的橋梁，則屬于非規(guī)則橋梁。 結(jié)構(gòu)的延性類型選擇 延性構(gòu)件的設(shè)計地震力 延性構(gòu)件的抗彎強度驗算 延性構(gòu)件的抗剪強度驗算 延性構(gòu)件的延性設(shè)計17 2022-6-30 橋梁抗震1 結(jié)構(gòu)的延性類型選擇結(jié)構(gòu)的延性類型選擇在設(shè)計延性抗震結(jié)構(gòu)時，應(yīng)在和之間取得適當(dāng)?shù)木?。設(shè)計地震力圖5.8 設(shè)計地震力與位移延性系數(shù)關(guān)系完全延性結(jié)構(gòu)有限延性結(jié)構(gòu)完全彈性結(jié)構(gòu)普

13、通公路橋梁：完全延性結(jié)構(gòu)型式重要性橋梁：有限延性結(jié)構(gòu)型式關(guān)鍵性橋梁：完全彈性結(jié)構(gòu)型式所選擇的位移延性水平直接影響到結(jié)構(gòu)的地震破壞程度！所選擇的位移延性水平直接影響到結(jié)構(gòu)的地震破壞程度！ 18 2022-6-30 橋梁抗震(1) 地震力折減系數(shù)地震力折減系數(shù)2 延性構(gòu)件的設(shè)計地震力延性構(gòu)件的設(shè)計地震力 (利用地震力折減系數(shù)，由彈性反應(yīng)譜直接得到)地震力折減系數(shù) ：強震動激起的單自由度彈性系統(tǒng)的最大地震慣性力 與相應(yīng)的延性系統(tǒng)的屈服力 之比，即REFyFyEFFR （a）等位移 （b）等能量 圖圖5.9 5.9 等位移準(zhǔn)則與等能量準(zhǔn)則等位移準(zhǔn)則與等能量準(zhǔn)則等位移準(zhǔn)則：（長周期(T大于0.7s)單自

14、由度系統(tǒng)）ymyEFFR等能量準(zhǔn)則：（中等周期單自由度系統(tǒng)）12yEFFR19 2022-6-30 橋梁抗震現(xiàn)行規(guī)范中采用 折減表5.4 現(xiàn)行公路工程抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定的綜合影響系數(shù)Cz 橋墩計算高度 H（m） 橋梁和墩、臺類型 10H 2010 H 3020 H 柔性墩 柱式橋墩、排架樁墩、薄壁橋墩 0.30 0.33 0.35 實體墩 天然基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)上的實體橋墩 0.20 0.25 0.30 多排樁基礎(chǔ)上的橋墩 0.25 0.30 0.35 梁橋 橋 臺 0.35 拱 橋 0.35 20 2022-6-30 橋梁抗震(2) 延性構(gòu)件的設(shè)計地震力延性構(gòu)件的設(shè)計地震力在強震作用下，規(guī)則橋梁結(jié)

15、構(gòu)質(zhì)量中心處的水平地震力，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的延性類型，利用地震力折減系數(shù)和彈性反應(yīng)譜理論來計算。完全延性結(jié)構(gòu)：RGKRFFtphE1RGKRFFtphE1tphEGKFF1有限延性結(jié)構(gòu)：完全彈性結(jié)構(gòu)：反映有限延性結(jié)構(gòu)的變形能力儲備，取值大于1.0按各橋墩的抗推剛度，把F分配到各橋墩，即得到各橋墩的設(shè)計水平地震力。21 2022-6-30 橋梁抗震(3) 延性構(gòu)件的抗彎強度驗算延性構(gòu)件的抗彎強度驗算根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，將地震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)進行組合，并按承載能力極限狀態(tài)法進行臨界截面的抗彎強度驗算。(4) 延性構(gòu)件的抗剪強度驗算延性構(gòu)件的抗剪強度驗算根據(jù)能力設(shè)計原理進行： 計算塑性鉸區(qū)截面的名義抗

16、彎強度 （采用約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系） 計算橋墩塑性鉸區(qū)截面的超強彎矩 ， 為抗彎超強因子 由塑性鉸區(qū)截面的超強彎矩 ，確定橋墩的設(shè)計剪力V 按規(guī)范規(guī)定的抗剪強度公式，對延性橋墩進行抗剪強度驗算RMRMM0000M(5) 延性構(gòu)件的延性設(shè)計延性構(gòu)件的延性設(shè)計鋼筋混凝土延性橋墩的延性設(shè)計： 根據(jù)設(shè)計預(yù)期的結(jié)構(gòu)位移延性水平，通過計算確定塑性鉸區(qū)的橫向約束箍筋用量（通過橫向鋼筋約束混凝土提高延性）。 配筋構(gòu)造設(shè)計22 2022-6-30 橋梁抗震5.3.4 能力保護構(gòu)件設(shè)計能力保護構(gòu)件設(shè)計(1) 蓋梁設(shè)計蓋梁設(shè)計(2) 支座設(shè)計支座設(shè)計(3) 基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計與延性橋墩直接連接的蓋梁，應(yīng)按橋墩塑

17、性鉸區(qū)截面的超強彎矩計算設(shè)計荷載效應(yīng)，并按設(shè)計規(guī)范規(guī)定進行強度驗算。與延性橋墩直接連接的基礎(chǔ)，應(yīng)按橋墩塑性鉸區(qū)截面的超強彎矩計算設(shè)計荷載效應(yīng)，并按設(shè)計規(guī)范規(guī)定進行強度驗算。對于設(shè)置在延性橋墩上的彈性支座或固定支座，抗震驗算時支座的設(shè)計地震力應(yīng)根據(jù)橋墩塑性鉸區(qū)截面的超強彎矩進行計算。23 2022-6-30 橋梁抗震5.4 鋼筋混凝土墩柱的延性設(shè)計鋼筋混凝土墩柱的延性設(shè)計為了提高鋼筋混凝土墩柱的延性性能，通常用做成密排螺旋筋或箍筋形式的橫向約束鋼筋來約束混凝土。5.4.1 橫向箍筋對混凝土的約束作用橫向箍筋對混凝土的約束作用圖5.10 箍筋對核心混凝土的約束作用當(dāng)混凝土中的應(yīng)力較低時，混凝土不受

18、約束。當(dāng)混凝土中的應(yīng)力接近單軸強度時，內(nèi)部開裂不斷發(fā)展，橫向應(yīng)變變得很大，于是橫向鋼筋受拉，混凝土就變成受約束的了。橫向箍筋能有效地限制混凝土的橫向膨脹，改善核心混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并阻止縱向鋼筋屈曲。影響鋼筋混凝土墩柱延性的因素：影響鋼筋混凝土墩柱延性的因素：橋墩截面、縱筋配置、軸壓比、混凝土標(biāo)號、箍筋含量及配置方案箍筋含量及配置方案24 2022-6-30 橋梁抗震 (a) 圓形箍筋或螺旋筋 (b) 配置交叉拉筋的矩形箍筋 (c)部分重疊的箍筋(e)橫向鋼筋的約束作用 (f)縱向鋼筋的約束作用圖 5.12 橫向鋼筋和縱向鋼筋對核心混凝土的約束作用影響參數(shù)：軸壓比箍筋用量箍筋形狀混凝土強度保護層厚度縱向鋼筋截面形式25 2022-6-30 橋梁抗震5.4.2 鋼筋混凝土墩柱的延性指標(biāo)計算鋼筋混凝土墩柱的延性指標(biāo)計算圖5.11 普通約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線y m應(yīng)變 應(yīng)力(Mpa)y圖5.14 縱向鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線混凝