基于能力谱法的减隔震加固设计程序

基于能力谱法的减隔震加固设计程序

减隔震加固方案设计的提出总的来说，桥梁应该加固的原因有两个：一是桥梁结构已经丧失，失去了原有的功能。或者，当新标准的规定发生变化时，为了改善地震区域的系数，有必要加强地震阻力。桥梁加固的方式很多,包括提高建筑材料的延性与强度、增设挡块、增加梁端防落梁长度、设置防落梁装置、基础加固、降低液化的可能性、改变桥梁结构系统及减隔震加固等。加固方案应使得桥梁的上部结构、下部结构及基础构造等整体结构系统的抗震能力均衡增强,以降低桥梁在地震作用下的反应。为了增加桥梁的整体延性与抗剪强度,桥梁体系的加固对象以墩柱及基础为主,同时防止落桥也相当重要。而在减隔震加固方法的应用上,以降低地震力对桥梁的冲击为主,而非增加桥梁的整体能力,以降低桥梁的反应,达到加固的效果。本文根据基于能力的设计方法和ATC-40(AppliedTechnologyCouncil,1996)的抗震评估方式,提出位移设计的减隔震加固设计程序。同时为了了解减隔震装置的加固效益,透过算例的分析研究,比较了原体系与减隔震系统在现行规范要求下的加固需求,以评估减隔震装置在桥梁加固中应用的优势及适用条件,并对所提出的减隔震加固设计程序进行验证。1抗震能力谱评估在决定一座桥梁是否需要加固、如何加固之前,应先评估其抗震能力。首先是决定墩柱的破坏形式及墩柱的最大延性能力,其次是计算整体屈服的地震加速度及整体的最大延性能力,最后算出桥梁的抗震能力AC值。美国ATC(AppliedTechnologyCouncil,1996)发布的ATC-40是针对混凝土构造物震后的评估与加固。该评估方法利用能力谱法的概念,比较需求谱及能力谱之间的关系求取功能失效点(performancepoint)作为抗震需求,与延性能力评估所代表的位移能力相比较,来判断抗震能力是否足够、是否需要进行抗震加固的依据。根据这样的设计思想,建立如图1所示的结合ATC-40的抗震评估程序。2自适应体系下的减隔震加固设计程序根据所选定的桥梁,采用SAP2000建立模型,利用上述方法作抗震评估,比较两种方法对于后续减隔震方法加固的适用性。以上述两种评估方式比较,对于该桥梁模型的评估结果相近。其中,结合ATC-40的抗震能力评估方法可由ADRS格式上明确清楚地比较出能力与需求之间的关系,以作为是否加固的依据。结合ATC-40,该方法不但较为简便,且在ADRS格式下可明确提供加固目标。加固目标的设定,使得后续的加固设计更具有功能性。由ATC-40程序评估出功能失效点作为抗震需求,再结合柱延性能力的评估,以能力需求谱在ADRS格式中相比较,决定应该采取的加固方式,是较为简便且直观的。并且,以评估位移需求与能力的方式来进行抗震评估,配合加固目标,对后续的加固设计更能提供一系列完整的加固设计程序。可见,ATC-40能够简单地与位移设计法结合,对后续的减隔震加固设计更具有功能性,故选定ATC-40为后续使用的抗震评估方法。应用减隔震装置于墩柱加固时,其设计思想不同于一般的新设装置。由于在能力谱上加固目标可以清楚地显现,对于桥梁的减隔震加固,可以决定两个基本的加固目标:补至墩柱保持弹性以及墩柱可以达到某一延性。对隔震而言,利用周期、阻尼与位移等相依变量进行参数分析,配合加固目标的制定,最后提出结合位移设计法的隔震装置加固设计程序。隔震装置的分析采用铅心橡胶支承垫(LRB)以及摩擦单摆支承(FPS)两种。对减震而言,也可结合位移设计法进行减震加固设计。本文引用替代结构法,将结构以等效劲度及等效阻尼比用线性叠代的方式进行粘滞性阻尼器(Viscousdamper)的加固设计。其程序如图2所示。根据上述所提出的减隔震加固设计程序,利用结构模型进行非线性时程分析,以验证其适用性及合理性。根据分析结果,对结合ATC-40的抗震能力评估程序以及以位移设计法观点所提出的减隔震加固设计程序,在此模型分析验证下,的确能够提供合理且有效的减隔震加固设计(见表1)。利用非线性动力时程分析对比可以发现,在加固目标为补至弹性范围内所设计出的减隔震加固装置较难符合经济性与实用性。因此,若使墩柱发挥部分非线性行为,将降低减隔震装置的设计需求,使减隔震装置更具有经济效益。3简介固定条件要求一:自设隔震设计根据上述分析结果,我们对结合ATC-40的抗震能力评估程序以及以位移设计法观点所提出的减隔震加固设计程序进行了验证。根据程序所做的加固设计,在此模型分析验证下,能够提供合理且有效的减隔震加固设计。加固目标可以由使用者或主管单位决定,应根据不同的加固目标进行不同的加固设计。经过具有基于位移的设计概念的加固设计程序,对未来结构可能的损坏程度具有识别指标。利用减隔震加固,将下部结构的位移控制在某一程度之内,可使下部结构不会遭受破坏。若下部结构采用传统加固,则很可能其基础也需要加固,导致加固经费大量增加。在我国有大量旧桥急需加固的情况下,减隔震加固应是未来桥梁加固技术首要考虑的对象。隔震设计的基本概念在于将桥梁周期延长,故地震时桥梁上部结构主梁将产生较大的位移。透过位移设计法决定整体系统设计位移,并希望据此有效地控制整体反应。但是,若隔震器的设计位移太小,则要显现其效果将有困难,故应加设如防震拉条、防震挡块等附属设施,以配合控制位移量。隔震设计并非适用于桥梁结构的任何情形,有些情形在作隔震加固设计时应特别注意,例如桥梁所在的土壤状况具有高液化可能,在地震发生时会使桥梁结构产生结构失稳现象;又如单跨短桥很少发生严重破坏或倒塌,是否需要或值得采用隔震设计予以保护,还值得进一步讨论。加固目标的指定应兼具功能性,以期对未来结构可能的损坏程度符合初始加固设计的预期要求。即能结合功能设计的概念甚