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1、桥梁抗震、减震若干新问题 及其进展 同济大学 李建中 2009年8月 基于性能抗震设计思想 桥梁抗震体系 基于位移抗震设计 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 主要内容 1 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 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。 基于性能抗震设计 设计地震水准与抗震性能等级的关系 地 震 设 防 水 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 水准I 水准II 水准III 水准IV 基于性能抗震设计思想 保证结构工作在弹性范围内 保
2、证结构上、下部整体工作状态 ，震后可立即修复 结构总体变形（延性） 主要构件危险截面的极限状态保证 （包括能力设计） 无损伤 有限损伤 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 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 基于性能的抗震设计内容主要包括： 科学的定义和确定地震危险性（seismic hazard）； 结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平 （ Performance Levels）、性能指标； 设计方法。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 由于性能设计包含的内容很
3、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 物进行完全的性能设计。 基于性能抗震设计 基于性能的 抗震设计 地震设防水准 结构性能目标的确定 结构地震反应的预测 设计方法实现能力、需求的平衡 地震需求 抗震能力 地震输入 基于性能抗震设计思想 2 桥梁抗震体系 类性1：上部、基础弹性，墩柱延性设计 类性2：墩柱、基础弹性，上部结构延性钢桥 桥梁抗震体系 类性3：墩柱、基础、上部结构弹性，支座弹缩性减 隔震设计 桥梁抗震体系 支承连接部件失效 支承连 接部件 失效 固定支座：强度不足 活动支座：位移能力不足 橡胶支座：梁底与支座底滑动 墩、台支承宽度 不
4、足、防落梁措 施设计不合理（ 限位装置） 落梁 梁体较 大位移 梁、墩 台间较 大位移 伸缩缝、挡 块破坏（碰 撞问题） 足够搭接长度 合理设计防落梁 措施和限位装置 延性构件 能力保护构件 桥墩 横梁（盖梁）、基础、墩柱抗剪 、支座 梁墩相对位移 延性构件 桥梁抗震体系 (a) 脆性链子 (b)延性链子 P P 脆性链子，强度为Pib 延性链子，强度 为Pd 脆性链子，强度为Pib P 图3-14 能力设计原理的简单范例 桥梁抗震体系 能力保护构件 能力保护 墩柱抗剪 盖梁 桥梁基础 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 力计算出的弯矩承载能力,考虑超 强系数来计算
5、 桥梁抗震体系 L 水平力 位移 D 桥梁结构单墩模型 D 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 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？ 基于位移抗震设计 单柱墩 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 ACT32对桥梁抗震性能水平的建议 基于位移抗震设计 Caltrans建议 Kowalsky和Priestly建议 基于位移抗震设计 较复杂构件：非线性静力分析（推倒分析 基于位移抗震设计 位移需求（结构地震位移反应） 位 移 需 求 直接利用弹性位移反应谱计
6、算 利用修正弹性反应谱或非线性反应谱计算 能力谱方法 非线性地震时程分析方法 等效线性法方法 基于位移抗震设计 能力谱方法 基于位移抗震设计 输人初始条件 质量M，墩高L 给定目标位移u 屈服位移y 计算位移延性系数=u/y 计算等效阻尼比eq 利用位移反应谱计算有效周期Teff 计算有效刚度Keff 确定极限水平力Hu 和弯矩Mu 根据弯矩Mu确定截面尺寸和纵向配筋 设计横向钢筋 0% 5%10% 20% 位移 周期 力 位移 M L H 基于位移抗震设计 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 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
7、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。 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IDA（Incremental dynamic analysis）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， 已成为研究热点。 增量动力分析（IDA）是近年发展起来的一种动力参数分析方法，其主要 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,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， 通过绘制所研究结构性能（Damage Measure）参数与地震强度（ intensity
8、measure）的IDA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。 可以通过结构在多条地震波下的IDA，将“线”分析拓展为“面”分析 ， 桥梁结构地震易损性 A fragility curve describes the probability of reaching or exceeding a damage state as a function of a chosen ground motion intensity parameter (typically peak ground or spectral acceleration). 不同地震水平地震作用下的需求 性能指
9、标要求 桥梁结构地震易损性 桥梁结构地震易损性 0.6 0 0.8 0 0.9 5 0.4 0 Median PGA (g)Log-S.D Minor0.400.8 Moderate0.60 Major0.80 Collapse0.95 Fragility Curves 桥梁结构地震易损性 Fragility Curves for Caltrans Bridges 0.50.5 桥梁结构地震易损性 4 桥梁减震设计 桥梁减隔震原理和一般规定 基本原理 加速度反应谱 阻尼减少 周期延长 加速度谱 周期 （T） 位移反应谱 阻尼减少 周期延长 位移谱 周期 （T） 采用柔性支承延长结构周期，减小结
10、构地震反应； 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 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； 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； 桥梁减震设计 不宜采用减隔震设计条件 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； 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。 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。 减隔震设计的桥梁，其基本周期原
11、则上应为不采用减隔震装置时基本 周期的两倍以上。 桥梁减震设计 桥梁减震设计 铅芯橡胶支座 钢板 橡胶层 铅芯 橡胶保 护层 铅芯橡胶支座 分层橡胶支座中部插入铅芯而形成的隔震装置。 铅芯：提供地震下的耗能能力和静力荷载下所需刚度(初始剪 切刚度G约130MPa 铅芯橡胶支座滞回曲线 恢复力模型： 常用双线性表示。 减隔震装置 整体型减隔震装置 桥梁减震设计 Lead rubber bearing 桥梁减震设计 支座水平剪力 地震力 温度变形 产生的力 风或制动力 铅芯屈服力 温度变形（长期） 地震位移（短期） 力-变形曲线（短期荷载） 力-变形曲线（蠕变荷载） 铅芯橡胶支座在不同荷载作用下的
12、抗力比较 温度、徐变等蠕变变形引起的支座抗力很低 桥梁减震设计 双线性恢复力模型 铅芯橡胶支座恢复力模型： 桥梁减震设计 高阻尼橡胶支座 采用特殊配制的橡胶材料制作，形状及构造与天然橡胶支座 相同。橡胶材料粘性大，自身可以吸收能量。 滞回环的面积较大，恢复力模型可采用修正双线性模型。 高阻尼橡胶支座滞回曲线 桥梁减震设计 不稳定 随遇稳定 稳定 摩擦摆隔震支座 桥梁减震设计 FPI是将滑动支座和钟摆的概念相结合构成一种新的隔震装置。 支座可以在任何方向滑动，其尺寸主要由最大设计位移控制。 PTFE支承材料关节式摩擦滑块 镀铬钢球形曲面 FPI 隔震装置构造示意图 桥梁减震设计 桥梁减震设计 桥
13、梁减震设计 分离型减隔震装置 橡胶支座+金属阻尼器 钢阻尼器工作机理 a弯曲梁 b悬臂弯曲梁 c扭梁 D F + 桥梁减震设计 橡胶支座+摩擦阻尼器 D F + D F mN 桥梁减震设计 -40-2002040 -200 -100 0 100 200 n 阻尼力 (KN) 位移 (mm) damper t 0.167 Hz 桥梁减震设计 弹塑性挡块 橡胶支座+粘性材料阻尼器 美国Taylor公司开发的阻尼器 桥梁减震设计 桥梁防落梁装置 大跨度桥梁减震设计 Jacques COMBAULT DESIGN SPECTRUM Damping 5% Jacques COMBAULT TECTONIC MOVEMENTS PLAN ELEVATION PIER BASE Jacques COMBAULT TECTONIC MOVEMENTS PLAN HORIZONTAL OPENING : 2 m ELEVATION VERTICAL SLIP : 2 m PIER BASE Jacques COMBAULT Foundation Concept Jacques COMBAULT 谢谢各位！ 李建中：联系电话：13701975607 Email:lijianzh
