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1、第六课桥梁延性抗震设计l桥梁延性抗震设计思想l与构件抗震能力相关的材料特性l延性抗震设计过程一、桥梁延性抗震设计思想1、基本概念l强度设计和弹性设计验算应力验算承载能力l延性与耗能材料、构件或结构的延性，通常定义为在初始强度没有明显退延性的定义：化情况下的非弹性变形能力。承受较大非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力利用滞回特性吸收能量的能力 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-30-20-100102030模型2轴压比：15%含箍率：0.40%配筋率：1.13%砼强度：19.4横向力(KN) 截面尺寸：
2、10cm*10cm墩高：100cm保护层厚度：1.5cm墩顶横向位移(mm) -45-40-35-30-25-20-15-10-5051015202530354045-40-30-20-10010203040模型3轴压比：20%含箍率：0.57%配筋率：1.54%砼强度：19.4横向力(KN)墩顶横向位移(mm)实测恢复力曲线l位移延性系数：构件或结构的极限位移与屈服位移之比：u=m延性指标：yl曲率延性系数塑性铰区截面的极限曲率与屈服曲率之比：yuffmf =yuffmf =延性需求和延性能力！材料的延性构件的延性：局部延性结构的延性：整体延性l 和的定义：1. 被箍筋约束的核心混凝土达到极
3、限压应变；2. 临界截面的抗弯能力下降到最大弯矩值的85%。延性指标：uf ul 和 的定义：yf yl延性系数计算方法yuffmf =1. 截面最外层受拉钢筋初始屈服时的曲率（适筋构件）；2. 截面混凝土受压区最外纤维初始达到峰值应变时的曲率（超筋构件或高轴压比构件）。1. 有明显屈服点的概念明确；2. 无明显屈服点：能量法和通用屈服弯矩法。延性、位移延性系数与变形能力变形能力延性D D D抗力RRy位移延性系数Du/Dy变形能力大延性大延性大位移延性系数大y u 变形延性、位移延性系数和变形能力Dsy Dty Dsu Dtu 变形D柔性高墩与延性矮墩的比较抗力R矮墩的力位移曲线高墩的力位移
4、曲线mDs6mDt3*纯粹依靠强度抗震不经济，利用延性抗震可减小地震力，降低初始投入。延性对桥梁抗震的意义能量强度*地震输入能量=结构的动能+弹性应变能+阻尼耗能+滞回耗能通过延性构件在地震下发生反复的弹塑性变形循环，耗散掉大量的地震输入能量，保证结构的抗震安全！滞回耗能与弹性应变能示意图延性抗震必须以结构出现一定程度的损坏为代价！l设计与反应极限状态构件极限状态A。开裂极限状态（Cracking limit state）弹性设计时与刚度有关B。钢筋首次屈服极限状态（First-Yield limit state）重要，刚度变化，与双线性模型有关DC。保护层混凝土剥落极限状态（Spalling
5、 limit state）刚度、强度下降无约束混凝土截面：接近破坏状态。最终破坏极限状态（Ultimate limit state）约束箍筋断裂临界截面的抗弯能力下降到最大弯矩值的8085%。结构极限状态A。正常使用极限状态（Serviceability limit state）允许不需修复的微小开裂一般规则桥：B2m小震不坏中震可修一般规则桥。可修极限状态（Damage-control limit state）C。不倒塌极限状态（Survival limit state）大震不倒允许覆盖层混凝土剥落、但核心混凝土完好一般规则桥：36m较少关注，不易确定2、能力设计思想防止非延性破坏模式的出现
6、。能力设计思想PP延性链子强度为Pd脆性链子，强度为 ibP 脆性链子，强度为 ibPibPP dP基本思想：假设延性链子的设计强度为Pd，其可能发挥的最大强度（超强）(a)脆性链子 (b)延性链子能力设计方法的原理示意图ib1 y2为 ，其中，为超强因子。为保证整个链接破坏时是延性的，要求所有脆性链子的设计强度满足：dP0l 0ldib PP 0l能力设计方法的基本原理：在结构体系中的延性构件和能力保护构件（脆性破坏模式、脆性构件以及不希望发生非弹性变形的构件）之间建立强度安全等级差异，以确保结构不会发生脆性的破坏模式。选择结构中预期出现的塑性铰位置时，应能使结构获得最优的耗能，并尽可能使预
7、期的塑性铰出现在易于潜在塑性铰位置的选择发现和易于修复的结构部位。（墩柱中）表5.3 结构抗震性能比较结构抗震性能 常规设计方法 能力设计方法 塑性铰出现位置 塑性铰的布局 局部延性需求 结构整体抗震性能 防止结构倒塌破坏概率不明确随机难以估计难以预测有限预定的构件部位预先选择与整体延性需求直接联系可以预测概率意义上的最大限度能力设计方法的主要优点：设计者可对结构在屈服时、屈服后的性状给予合理的控制，即结构屈服后的性能是按照设计者的意图出现的。采用能力设计方法进行延性抗震设计，一般分为三步：(1) 选定潜在塑性铰位置（概念设计阶段），对塑性铰区截面进行强度和延性设计(2) 延性构件中脆性破坏模
8、式验算(3)能力保护构件设计与验算二、与构件抗震能力相关的材料特性1、无约束混凝土A、抗压强度 cf c22.5Mpaf45Mpa （28天强度，名义强度） 实际强度？B、弹性模量 cEc0.5f 时割线刚度，见规范C、抗拉强度见规范2、约束混凝土A、横向钢筋对混凝土的约束作用被动约束作用：混凝土应力接近抗压强度时，内部开裂不断发展，横向应变变大，横向钢筋受拉，限制混凝土的横向膨胀，即约束混凝土。yhspl2fAfDs箍筋对核心混凝土的约束作用效应：改善核心混凝土的应力应变关系；阻止纵向钢筋屈曲。(a) 圆形箍筋或螺旋筋 (b) 配置交叉拉筋的矩形箍筋 (c)部分重叠的箍筋(e)横向钢筋的约束
9、作用 (f)纵向钢筋的约束作用横向钢筋和纵向钢筋对核心混凝土的约束作用B、约束混凝土的应力应变关系Mander模型：基于实验f f xrr xc cc r= +1普通约束混凝土的应力应变曲线x c cc= e ee ecc ccccoff= +5 1 1f f ff ffcc c lclc . .= + 22541 794 2 12540.002有效横向约束应力( )r E E Ec c= secf f xrr xc cc r= + 1 E fc c= 5000E fcc ccsec = e有效横向约束应力 lff K f K f AD sl e l e yh sp = = 2圆形截面有效约束
10、系数圆形0.95有效约束核心面积与总核心面积之比矩形截面矩形0.75，墙式截面0.6最约束强度比fcc/fcof K flx e x yh = r f K fly e y yh = rr x sxAs d= 矩形0.75，墙式截面0.6大约束应力比fl2/fco最小约束应力比fl1/fco约束应力比约束强度比关系曲线cr y sycAsb= 核心混凝土尺寸约束混凝土的极限压应变e r ecu s yh succff= + 0004 14. .由箍筋达到最大应力时所释一般：0.0120.05普通约束混凝土的应力应变曲线放的总应变能与混凝土由于箍筋约束作用而吸收的能量相等的条件推导而得e su：箍
11、筋最大拉应力时应变（一般0.09）rs ：约束钢筋的体积配箍率，矩形箍筋：r r rs x y= +f yh ：约束箍筋最大拉应力。3、钢筋A、单调受力特性屈服强度的离散性硬化yF塑性铰区超强能力保护构件高强度需求yFB、弹塑性滞回特性低轴压比 高轴压比延性桥墩一般具有低到中等轴压比，最大反应可采用单调加载时的应力应变关系4、结构钢材类似于低级别钢筋的材料特性。5、预应力筋0.02%标准应力6. 截面的弯矩曲率分析1()()ncisiyiiNdAAsese=+1()()ncisiyisiiMydAAysese=+一般采用曲率增量法，借助计算机程序进行不同的本构关系l选定钢筋和混凝土的应力应变关
12、系l截面离散（如梯形法）l假定 ，由轴力平衡条件确定中性轴位置（需试算），计算相应弯矩值，直至达到规定的极限曲率为止。ijj三、延性抗震设计过程1、塑性铰区的抗弯强度设计2、塑性铰区的延性能力设计3、能力保护构件的强度设计1、塑性铰区的抗弯强度设计（一水准抗震设防，89版公路规范）1) 抗弯强度需求确定l基于力的抗震设计方法（常规方法）l基于位移的抗震设计方法2) 抗弯强度设计1) 抗弯强度需求（设计地震力）的确定a) 基于力的抗震设计方法利用地震力折减系数，由弹性反应谱直接得到设计地震力；对潜在塑性铰区进行仔细的约束配筋设计，确保结构具有足够的延性能力（结构延性，与折减系数对应）。地震力折减
13、系数 ：强震动激起的单自由度弹性系统的最大地震惯性力与相应的延性系统的屈服力 之比，即REFyFyEFFR=i）结构的延性类型选择在设计延性抗震结构时，应在设计地震力和位移延性水平之间取得适当的均衡。设延性结构根据延性能力的发挥所选择的位移延性水平直接影响到结构的地震破坏程度！计地震力设计地震力与位移延性系数关系程度分为：完全延性结构有限延性结构完全弹性结构桥梁结构的延性类型选择：普通公路桥梁：完全延性结构型式重要性桥梁：有限延性结构型式关键性桥梁：完全弹性结构型式ii) 地震力折减系数和（结构）位移延性系数的关系等位移准则：长周期(T大于0.7s)单自由度系统）= mmEFFR（a）等位移
14、（b）等能量等位移准则与等能量准则yy等能量准则：中等周期单自由度系统12 = myEFFR89版公路工程抗震设计规范采用“综合影响系数Cz”折减现行公路工程抗震设计规范规定的综合影响系数Cz 桥墩计算高度H（m） 89版此外，Cz还考虑了：结构图式、阻尼、几何非线性，取值与桥梁型式、墩台型式、墩高有关。1ZC R=桥梁和墩、台类型 10)25.15.0()1(30.0 cyhccgs fPffAA +=圆形箍筋 矩形箍筋纵向钢筋的配筋率限值我国规范：0.006 0.04Caltrans规范（美国加州抗震规范）：0.010.08Priestley建议：l0.0050.04 r （圆形墩）l0.
15、0080.04 r （矩形墩）b.塑性铰区长度Caltrans规范：max ( , hc , 0.25hl)ch横截面最大尺寸，为弯矩值大于75%最大塑性弯矩值的区域长度，hl为墩柱高度。lh欧洲规范：在塑性铰区b5.1b抗剪强度需求控制箍筋设计？欧洲规范：hk 03. 03 06. . hk 增大50%域以外，箍筋应慢慢减小到正常水平，在2处，箍筋含量应不少于塑性铰区内的50%。lhc.横向钢筋构造要求我国规范：螺旋箍筋接头必须焊接，矩形箍筋应有135弯钩，并伸入混凝土核心之内Caltrans规范：纵向钢筋不应在塑性铰区内搭接，箍筋接头必须焊接欧洲规范：对于矩形箍筋，箍筋(勾筋)各肢间距不大于核芯混凝土最小尺寸的1/3，而且不大于350mm，但不必小于200mm。3、能力保护构件的强度设计1) 能力保护构件的强度需求确定延性桥墩抗剪破坏，盖梁、固定支座、基础根据塑性铰区截面的超强弯矩计算2) 能力保护构件的设计强度计算1) 能力保护构件的强度
