桥梁抗震、减震若干新问题

1、桥梁抗震、减震若干新问题桥梁抗震、减震若干新问题及其进展及其进展同济大学同济大学李建中李建中20092009年年8 8月月 基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想桥梁抗震体系桥梁抗震体系基于位移抗震设计基于位移抗震设计地震作用下桥梁结构的易损性研究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桥梁减隔震及防落梁措施主要内容主要内容1 基于性能抗震设计基于性能抗震设计 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。达

2、到一组预期的性能目标。 R a re e v e n tsO c c a sio n a l e v e n ts非 弹 性 范 围F re q u e n t e v e n ts弹 性 范 围水平地震力V e ry ra re e v e n ts墩 顶 水 平 位 移破 坏基于性能抗震设计基于性能抗震设计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基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想保证结构工作在弹性范围内保证结构工

3、作在弹性范围内保证结构上、下部整体工作状态，保证结构上、下部整体工作状态，震后可立即修复震后可立即修复结构总体变形（延性）结构总体变形（延性）主要构件危险截面的极限状态保证主要构件危险截面的极限状态保证（包括能力设计）（包括能力设计）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抗震设计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： 科学的定义和确定地震危险性（科

4、学的定义和确定地震危险性（seismic hazardseismic hazard）； 结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平 （Performance LevelsPerformance Levels）、性能指标；）、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、结构的由于性能设计包含的内容很广，特别是在对地震动、结

5、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。物进行完全的性能设计。基于性能抗震设计基于性能抗震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求抗震能力抗震能力地震输入地震输入基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想EQPlasticHinge2 2 桥梁抗震体系桥梁抗震体系类性类性1 1：上部、基础弹性，墩柱延性设计：上部、基础弹性，墩柱延性设计E

6、QDuctileSuperstructure类性类性2 2：墩柱、基础弹性，上部结构延性：墩柱、基础弹性，上部结构延性钢桥钢桥桥梁抗震体系桥梁抗震体系EQSeismicIsolation类性类性3 3：墩柱、基础、上部结构弹性，支座弹缩性减：墩柱、基础、上部结构弹性，支座弹缩性减 隔震设计隔震设计桥梁抗震体系桥梁抗震体系支承连接部件失效支承连接部件失效支承连支承连接部件接部件失效失效固定支座：固定支座：强度不足强度不足活动支座：活动支座：位移能力不足位移能力不足橡胶支座橡胶支座：梁底与支座底滑动梁底与支座底滑动墩、台支承宽度墩、台支承宽度不足、防落梁措不足、防落梁措施设计不合理施设计不合理（限

7、位装置）（限位装置）落梁落梁梁体较梁体较大位移大位移梁、墩梁、墩台间较台间较大位移大位移伸缩缝、挡伸缩缝、挡块破坏（碰块破坏（碰撞问题）撞问题）足够搭接长度足够搭接长度合理设计防落梁合理设计防落梁措施和限位装置措施和限位装置延性构件延性构件能力保护构件能力保护构件桥墩桥墩 横梁（盖梁）、基础、墩柱抗剪横梁（盖梁）、基础、墩柱抗剪 、支座、支座梁墩相对位移梁墩相对位移 延性构件延性构件桥梁抗震体系桥梁抗震体系nyu曲率nMyMMu弯距=Vc0Vc0Mn_0coMMcoPVcon0= M (a) 脆性链子 (b)延性链子PP脆性链子，强度为脆性链子，强度为Pib延性链子，强度延性链子，强度为为Pd

8、脆性链子，强度为PibP图3-14 能力设计原理的简单范例桥梁抗震体系桥梁抗震体系能力保护构件能力保护构件nyu曲 率nMyMMu弯 距=Vc0Vc0Mn_0能力保护能力保护墩柱抗剪墩柱抗剪盖梁盖梁桥梁基础桥梁基础应根据可能出现塑性铰处按实配钢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力计算出的弯矩承载能力, ,考虑超考虑超强系数来计算强系数来计算 coMMcoPVcon0= MGMGMMGMGllrrstststMMstVVcocococo桥梁抗震体系桥梁抗震体系L水平力水平力位移位移D桥梁结构单墩模型桥梁结构单墩模型D单

9、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3 基于位移抗震设计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！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？基于位移抗震设计基于位移抗震设计单柱墩单柱墩yy中性轴ixyix形心轴oAiiyinyu曲 率nMyMMu弯 距=Vc0Vc0Mn_ _ _0004. 0c06. 0018. 0scor2()()32ypuuypLLLL 相应于各

10、级性能水平的目标位移的确定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基于位移抗震设计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基于位移抗震设计基于位移抗震设计Caltrans建议建议Kowalsky和和Priestly建议建议基于位移抗震设计基于位移抗震设计较复杂构件：非线性静力分析（推倒分析较复杂构件：非线性静力分析（推倒分析基于位移抗震设计基于位移抗震设计位移需求（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

11、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基于位移抗震设计基于位移抗震设计bVUNF能力谱方法能力谱方法基于位移抗震设计基于位移抗震设计输人初始条件输人初始条件 质量质量M M，墩高墩高L L给定目标位移给定目标位移u u屈服位移屈服位移y 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

12、定截面尺寸和纵向配筋设计横向钢筋设计横向钢筋224effeffMKTueffuuuHKMHL 0%5%10%20%位移周期yueffKcrKuH力位移MLH基于位移抗震设计基于位移抗震设计桥梁结构地震易损性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。算得到，这里主要介绍理论方法。由于结构地震响应

13、从地面运动到结构性能两方面固有的随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，其主）是近年发展起来的一种动力参数分析方法，其主要过程

14、为：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, ,使之成为一组不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，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整曲线，来研究结构在地震荷载作用下的整个损伤、破坏的全过程。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

15、展为“面面”分分析，析，桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性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 chosen ground motion intensity parameter (typicall

16、y peak ground or motion intensity parameter (typically peak ground or spectral acceleration).spectral acceleration).dScS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桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性00.250.50.75100.20.40.60.81PGA (g)Probability of Being ExceededMinorModerateMajorCollapse0.600.800.950.4

17、0Median PGA (g)Log-S.DMinor0.400.8Moderate0.60Major0.80Collapse0.95Fragility Curves桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性Fragility Curves for Caltrans Bridges00.20.40.60.8100.20.40.60.811.2PGA (g)Probability of Exceeding Damage StateMinor DamageModerate DamageMajor DamageCollapse桥梁结构地震易损性桥梁结构地震易损性4 桥梁减震设计桥梁减震设计桥梁减隔震原理和

18、一般规定桥梁减隔震原理和一般规定基本原理基本原理加速度反应谱加速度反应谱阻尼减少阻尼减少周期延长周期延长加速度谱加速度谱周期周期 （T）位移反应谱位移反应谱阻尼减少阻尼减少周期延长周期延长位移谱位移谱周期周期 （T） 采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应；采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应；采用阻尼器装置耗散能量，限制结构位移；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；上部结构连续，下部结构刚度较大，结

19、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；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；场地条件比较好，预期地面运动特性具有较高的卓越频率； 桥梁减震设计桥梁减震设计不宜采用减隔震设计条件不宜采用减隔震设计条件地震作用下，场地可能失效；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；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；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。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

20、邻上部结构之减隔震设计的桥梁，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。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，其基本周期原则上应为不采用减隔震装置时基本减隔震设计的桥梁，其基本周期原则上应为不采用减隔震装置时基本周期的两倍以上。周期的两倍以上。 桥梁减震设计桥梁减震设计40cm60cm49cm碰即脱顶块 桥梁减震设计桥梁减震设计铅芯橡胶支座铅芯橡胶支座 钢板钢板橡胶层橡胶层铅芯铅芯橡胶保橡胶保护层护层铅芯橡胶支座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。分层橡胶支座中部插入铅芯而形成的隔震装置。铅芯：

21、铅芯：提供地震下的耗能能力和静力荷载下所需刚度提供地震下的耗能能力和静力荷载下所需刚度( (初始剪初始剪切刚度切刚度G G约约130MPa130MPa铅芯橡胶支座滞回铅芯橡胶支座滞回曲线曲线keffFminu- 支座滞回曲线kukuXYu+FmaxQd-Qd+kd-kd+恢复力模型：恢复力模型：常用双线性表示。常用双线性表示。减隔震装置减隔震装置整体型减隔震装置整体型减隔震装置 桥梁减震设计桥梁减震设计Lead rubber bearing 桥梁减震设计桥梁减震设计支座水平剪力支座水平剪力地震力地震力温度变形温度变形产生的力产生的力风或制动力风或制动力铅芯屈服力铅芯屈服力温度变形（长期）温度变

22、形（长期）地震位移（短期）地震位移（短期）力力- -变形曲线（短期荷载）变形曲线（短期荷载）力力- -变形曲线（蠕变荷载）变形曲线（蠕变荷载）铅芯橡胶支座在不同荷载作用下的抗力比较铅芯橡胶支座在不同荷载作用下的抗力比较温度、徐变等蠕变变形引起的支座抗力很低温度、徐变等蠕变变形引起的支座抗力很低 桥梁减震设计桥梁减震设计K x (相对位移)xy-xyF(x) (剪力)力)Kp-x0 x0Qy-QyF(I)A(I)B(I)E(II)D(II)C(II)双线性恢复力模型双线性恢复力模型铅芯橡胶支座铅芯橡胶支座恢复力模型：恢复力模型： 桥梁减震设计桥梁减震设计 高阻尼橡胶支座高阻尼橡胶支座采用特殊配制

23、的橡胶材料制作，形状及构造与天然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。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。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高阻尼橡胶支座滞回曲线 桥梁减震设计桥梁减震设计不稳定不稳定随遇稳定随遇稳定稳定稳定 摩擦摆隔震支座摩擦摆隔震支座 桥梁减震设计桥梁减震设计 FPIFPI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。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。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。PTFEPTFE支承材料支承材料关节式摩擦滑块关节式摩擦滑块镀铬钢球形曲面镀铬钢球形曲面FPI 隔震装置构造示意图隔震装置构造示意图 桥梁减震设计桥梁减震设计DWDRWFsgnRWKh212gRTRDDWDRWWDeff224DWRWKeff 桥梁减震设计桥梁减震设计 桥梁减震设计桥梁减震设计分离型减隔震装置分离型减隔震装置 橡胶支座橡胶支座+ +金属阻尼