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1、基于性能桥梁抗震设计的发展与展望 同济大学 李建中 2007年1月 基于性能抗震设计思想 规则桥梁结构基于性能设计 地震作用下结构的易损性研究 复杂桥梁结构基于性能设计需解决的几个问题 主要内容 基于性能抗震设计思想 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 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 保证结构工作在弹性范围内 保证结构上 下部整体工作状态 震后可立即修复 结构总体变形
2、 延性 主要构件危险截面的极限状态保证 包括能力设计 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 基于性能的抗震设计内容主要包括 科学的定义和确定地震危险性 seismichazard 结构在不同水平地震作用下损伤状态 性能水平 PerformanceLevels 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 基于性能的抗震设计 地震设防水准 结构
3、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 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 规则桥梁结构基于性能设计 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 单柱墩 相应于各级性能水平的目标位移的确定 ACT 32对桥梁抗震性能水平的建议 性能指标 Caltrans建议 Kowalsky和Priestly建议 较复杂构件 非线性静力分析 推倒分析 能力谱方法 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
4、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 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 经过十多年的研究 取得了值得注意的成果 在结构需求与结构性能指标之间建立了关系 取得了基于性能设计重要的一步 被称为第一代的基于性能地震工程 美国应用技术委员会ACT 40 ACT 32 美国加洲结构工程师协会 SEAOC Vision2000都出版了相应技术文件 但第一
5、代的基于性能设计在取得成果的同时 还存在许多不足 针对的模型过于简单 得到的结构需求与结构性能指标之间关系主要是针对单自由度体系 性能指标研究对象主要是单墩构件 研究方法主要是非线性静力法和线性动力方法 等效线性化 对桥梁结构系统性能 性能目标研究得非常少 地震作用下桥梁结构易损性研究 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 Incrementaldynamicanalysis
6、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 DamageMeasure 参数与地震强度 intensitymeasure 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 Afragilitycurvedescribestheprobabilityofr
7、eachingorexceedingadamagestateasafunctionofachosengroundmotionintensityparameter typicallypeakgroundorspectralacceleration 不同地震水平地震作用下的需求 性能指标要求 FragilityCurves FragilityCurvesforCaltrans Bridges FragilitycurvesforthevariouscomponentsoftheMSSS SGbridgefor a slightdamage b moderatedamage c extensived
8、amage and d completedamage 复杂桥梁结构基于性能设计需解决的几个问题 阪神地震中西宫港大桥第一跨引桥脱落 相邻跨上部结构的碰撞震害 圣费南多地震中立交桥梁跨坠毁 金州5号高速干道与14号高速公路 美国洛马 普里埃塔地震中Cypress高架桥上层框架塌落 简支梁梁端抗震挡块 连续梁梁端抗震挡块 JacquesCOMBAULT 大跨度桥梁 DESIGNSPECTRUM Damping5 JacquesCOMBAULT TECTONICMOVEMENTS PLAN ELEVATION PIERBASE JacquesCOMBAULT TECTONICMOVEMENTS PL
9、AN HORIZONTALOPENING 2m ELEVATION VERTICALSLIP 2m PIERBASE JacquesCOMBAULT FoundationConcept JacquesCOMBAULT 主要展开的研究 1 基于性能的大型桥梁抗震理论 2 大型桥梁高桩承台结构的地震反应机理 桩 土 结构的共同作用 3 非规则山区高墩桥梁的地震反应规律 高阶振型效应 4 地震作用下碰撞效应及防落梁措施 5 近场强震 超长周期分量和非一致地面运动对大跨度桥梁的地震反应的机理和规律 6 桥梁结构地震易损性与结构动力概念设计 7 新型减 隔震装置 非规则高墩桥梁 M Pushoveran
10、alysis Experimentalandtheoreticalmethodareallstaticmethods Idealizedcurvaturedistributionscorrespondingtoyieldandultimateflexuralfailure a 墩底曲率IDA曲线b 墩顶位移IDA曲线60m墩底曲率和墩顶位移的IDA曲线 增量动力分析 a 加速度调整系数 1 7时墩身曲率曲线 b 加速度调整系数 1 7时墩身变形曲线60m墩的墩身曲率 变形分布曲线图 Pseudo dynamictestofurbanviaductswithdoubledeck Pseudo s
11、tatictestofatallpier Rotatingface Slidingface DoublecurveSphere Doublecurvesphereisolatingbearing 桥梁减隔振技术 Leadrubberbearing 非规则桥梁地震作用下的碰撞效应与防落梁措 系统1 系统2 多联连续梁桥 伸缩缝 实验室建设 20 000kNStatic axialload 2 000kNdynamiclateralloadDoubleamplitudedisplacement 1 000mm singleamplitude 500mm Dynamic staticandfatigueapplications Frequencyrange0 0 5Hz PseudodynamicTesting Workspaceplanarea2 5 2 0mverticalspace3 0m 若干台合成一大型线型振动台台组工作模式 四个台合成大型矩形台组工作模式 曲桥 斜桥抗震试验 两个主台组成为一大型振动台 作为单台振动台使用 各单台单独使用 若干台合成一大型线型振动台台组工作模式 谢谢
