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1、基于性能桥梁抗震设计的基于性能桥梁抗震设计的发展与展望发展与展望同济大学同济大学李建中李建中20072007年年1 1月月 基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想 规则桥梁结构基于性能设计规则桥梁结构基于性能设计规则桥梁结构基于性能设计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地震作用下结构的易损性研究地震作用下结构的易损性研究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复杂桥梁结构基于性能设计需解决的几个问题复杂桥梁结构基于性能设计需解决的几个问题复杂桥梁结构基于性能设计需解决的几个问题主要内容主要内容基于性能抗震设
2、计思想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。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设计地震水准与抗震性能等级的关系地地震震设设防防水水准准等级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抗震性能目标抗震性能目标水准I水准II水准III水准IV无损伤无损伤有限损伤有限损伤严重损伤而不倒塌严重损伤而不倒塌 针对不同概率水平地震设防水准、不同的结构部件，研究
3、相应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：基于性能的抗震设计内容主要包括：1.1.科学的定义和确定地震危险性（科学的定义和确定地震危险性（seismic hazardseismic hazard）；2.2.结构在结构在不同水平地震不同水平地震作用下损伤状态、性能水平作用下损伤状态、性能水平 （Performance LevelsPerformance Levels）、）、性能指标；性能指标；3.3.设计方法。设计方法。在设计初始就明确结构的性能目标，并且使在设计初始就明确结构的
4、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。构物进行完全的性能设计。基于性能的基于性能的抗震设计抗震设计地震设防水准地震设防水准结构性能目标的确定结构性能目标的确定结构地震反应的预测结构地震反应的预测设计方法设计方法实现能力、需求的平衡实现能力、需求的平衡地震需求地震需
5、求抗震能力抗震能力地震输入地震输入水平力水平力位移位移DL桥梁结构单墩模型桥梁结构单墩模型D单质点单自由度体系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！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？多自由体系？第第1振型振型第第2振型振型第第3振型振型桥墩的水平挠曲固有振型桥墩的水平挠曲固有振型单柱墩单柱墩相应于各级性能水平的目标位移的确定相应于各级性能水
6、平的目标位移的确定ACTACT3232对桥梁抗震性能水平的建议对桥梁抗震性能水平的建议性能指标性能指标Caltrans建议建议Kowalsky和和Priestly建议建议较复杂构件：非线性静力分析（推倒分析较复杂构件：非线性静力分析（推倒分析能力谱方法能力谱方法输人初始条件输人初始条件 质量质量M，墩高墩高L给定目标位移给定目标位移u屈服位移屈服位移y计算位移延性系数计算位移延性系数=u u/y y计算等效阻尼比计算等效阻尼比eqeq利用位移反应谱计算有效周期利用位移反应谱计算有效周期T Teffeff计算有效刚度计算有效刚度K Keffeff确定极限水平力确定极限水平力H Hu u 和弯矩和
7、弯矩M Mu u根据弯矩根据弯矩M Mu u确定截面尺寸和纵向配筋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MLH位移需求（结构地震位移反应）位移需求（结构地震位移反应）位位移移需需求求直接利用弹性位移反应谱计算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利用修正弹性反应谱或非线性反应谱计算能力谱方法能力谱方法非线性地震时程分析方法非线性地震时程分析方法等效线性法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结构性能指标
8、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-40ACT-40，ACT-32ACT-32，美国加洲结构工程师协会美国加洲结构工程师协会（SEAOCSEAOC）Vision2000Vision2000 都出版了相应技术文件。都出版了相应技术文件。 但第一代的基于性能设计在取得成果的同时，还存在许多但第一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
9、能指标研究对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。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）化） 对桥梁结构系统性能、性能目标研究得非常少。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。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
10、论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。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，采用的随机性和不确定性，采用IDAIDA（Incremental dynamic Incremental dynamic analysisanalysis）方法结合概率方法对桥梁结构系统进行易损性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，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。已成为研究热点。增
11、量动力分析（增量动力分析（IDAIDA）是近年发展起来的一种动力参数分析方法，其是近年发展起来的一种动力参数分析方法，其主要过程为：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，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（通过绘制所研究结构性能（Damage Measure）参数与地震强度参数与地震强度（intensity measure）的的IDAIDA曲线，来研究结构在地震荷载作用下的曲线，来研究结构在地震荷载作用下的整个损伤、破坏的全
12、过程。整个损伤、破坏的全过程。可以通过结构在多条地震波下的可以通过结构在多条地震波下的IDAIDA，将将“线线”分析拓展为分析拓展为“面面”分析，分析，A fragility curve describes the probability of reaching or A fragility curve describes the probability of reaching or exceeding a damage state as a function of a chosen ground exceeding a damage state as a function of a chos
13、en ground motion intensity parameter (typically peak ground or motion intensity parameter (typically peak ground or spectral acceleration).spectral acceleration).不同地震水平地震作用下的需求不同地震水平地震作用下的需求性能指标要求性能指标要求0.600.800.950.40Median PGA (g)Median PGA (g)Log-S.DLog-S.DMinorMinor0.400.400.80.8ModerateModerate
14、0.600.60MajorMajor0.800.80CollapseCollapse0.950.95Fragility CurvesFragility Curves for Caltrans Bridges0.50.5Fragilitycurves for the various components of the MSSS-SG bridge for: (a) slight damage, (b) moderate damage, (c) extensive damage, and (d) complete damage.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阪神地震中西宫港大桥
15、第一跨引桥脱落西宫港大桥第一跨引桥脱落相邻跨上部结构的碰撞震害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圣费南多地震中立交桥梁跨坠毁（金州（金州5号高速干道与号高速干道与14号高速公路）号高速公路）美国洛马美国洛马普里埃塔地震中普里埃塔地震中CypressCypress高架桥上层框架塌落高架桥上层框架塌落简支梁梁端抗震挡块简支梁梁端抗震挡块连续梁梁端抗震挡块连续梁梁端抗震挡块Jacques COMBAULT大跨度桥梁大跨度桥梁DESIGN SPECTRUMDamping 5%Jacques COMBAULTTECTONIC MOVEMENTSPLAN ELEVATION PIER B
16、ASEJacques COMBAULTTECTONIC MOVEMENTSPLAN HORIZONTAL OPENING : 2 mELEVATION VERTICAL SLIP : 2 mPIER BASEJacques COMBAULTFoundation ConceptJacques COMBAULT主要展开的研究主要展开的研究(1) (1) 基于性能的大型桥梁抗震理论基于性能的大型桥梁抗震理论 (2) (2) 大型桥梁高桩承台结构的地震反应机理、桩土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；结构的共同作用； （3 3）非规则山区高墩桥梁的地震反应规律、高阶振型效）非规则
17、山区高墩桥梁的地震反应规律、高阶振型效 应应； （4 4）地震作用下碰撞效应及防落梁措施地震作用下碰撞效应及防落梁措施 （5 5）近场强震、超长周期分量和非一致地面运动对大跨近场强震、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度桥梁的地震反应的机理和规律 （6 6）桥梁结构地震易损性与结构动力概念设计）桥梁结构地震易损性与结构动力概念设计 （7 7）新型减、隔震装置）新型减、隔震装置 非规则高墩桥梁非规则高墩桥梁非规则高墩桥梁非规则高墩桥梁M Pushover analysisExperimental and theoretical method are all stat
18、ic methods.Idealized curvature distributions corresponding to Idealized curvature distributions corresponding to yield and ultimate flexural failureyield and ultimate flexural failure a)墩底曲率墩底曲率IDA曲线曲线 b)墩顶位移墩顶位移IDA曲线曲线 60m墩底曲率和墩顶位移的墩底曲率和墩顶位移的IDA曲线曲线增量动力分析增量动力分析 （a） 加速度调整系数加速度调整系数=1.7时墩身曲率曲线时墩身曲率曲线
19、（b） 加速度调整系数加速度调整系数=1.7时墩身变形曲线时墩身变形曲线 60m墩的墩身曲率、变形分布曲线图墩的墩身曲率、变形分布曲线图墩墩墩墩高高高高(m)(m)增量动力分析增量动力分析增量动力分析增量动力分析静力推倒分析静力推倒分析静力推倒分析静力推倒分析多自由度模型多自由度模型多自由度模型多自由度模型单自由度模型单自由度模型单自由度模型单自由度模型屈服位移屈服位移屈服位移屈服位移u uy y(m(m) )极限位移极限位移极限位移极限位移u umm(m)(m)延性系数延性系数延性系数延性系数 mm屈服位移屈服位移屈服位移屈服位移u uy y(m(m) )极限位移极限位移极限位移极限位移u
20、umm(m)(m)延性系数延性系数延性系数延性系数 mm屈服位移屈服位移屈服位移屈服位移u uy y(m(m) )极限位移极限位移极限位移极限位移u umm(m)(m)延性系数延性系数延性系数延性系数 mm30300.1410.1410.430.433.053.050.1820.1820.5780.5783.183.180.1760.1760.5260.5262.992.9960600.26180.26180.65950.65952.522.520.540.541.651.653.053.050.500.500.1580.1583.163.16elcentroelcentroLoma-p1Lo
21、ma-p1Nridge1Nridge1Oakwh1Oakwh1Sanfern1Sanfern1屈服位移屈服位移屈服位移屈服位移（mm）2.6168e-12.6168e-13.5126e-13.5126e-12.6483e-12.6483e-13.3561e-13.3561e-14.0676e-14.0676e-1极限位移极限位移极限位移极限位移（mm）6.5948e-16.5948e-16.7501e-16.7501e-15.4087e-15.4087e-16.755e-16.755e-17.2308e-17.2308e-1最大位移延性系数最大位移延性系数最大位移延性系数最大位移延性系数2.5
22、22.521.921.922.042.042.012.011.771.77第1振型第2振型第3振型桥墩的水平挠曲固有振型Pseudo-dynamic test of urban viaducts with double deck2. Seismic research2. Seismic researchPseudo-static test of a tall pier 2. Seismic research2. Seismic researchRotating faceSliding faceDouble curve SphereDouble curve sphere isolating be
23、aring桥梁减隔振技术桥梁减隔振技术Lead rubber bearing2. Seismic research2. Seismic research非规则桥梁地震作用下的碰撞效应与防落梁措非规则桥梁地震作用下的碰撞效应与防落梁措系统系统1系统系统2多联连续梁桥多联连续梁桥伸缩缝伸缩缝考虑支座非线性与考虑支座非线性与墩柱弹塑性的碰撞模型墩柱弹塑性的碰撞模型实验室建设实验室建设 20,000 kN Static/axial load 2,000 kN dynamic lateral load Double amplitude displacement: 1,000 mm, (single am
24、plitude: +/- 500 mm). Dynamic, static and fatigue applications. Frequency range 0.05Hz Pseudodynamic Testing Work space plan area 2.52.0m vertical space 3.0m若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式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四个台合成大型矩形台组工作模式四个台合成大型矩形台组工作模式四个台合成大型矩形台组工作模式 曲桥、斜桥抗震试验曲桥、斜桥抗震试验曲桥、斜桥抗震试验曲桥、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两个主台组成为一大型振动台，作为单台振动台使用两个主台组成为一大型振动台，作为单台振动台使用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各单台单独使用各单台单独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若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式 谢 谢！
