基于性能的桥梁抗震设计课件.pptx
主要内容,桥梁地震灾害概述桥梁抗震设计理论的发展基于性能抗震设计思想的提出规则梁桥基于位移的抗震设计小结,主要内容桥梁地震灾害概述,桥梁地震灾害概述,位移引发的震害：落梁,1971年美国的San Fernando 地震,梁体脱座,整孔落梁,桥梁地震灾害概述位移引发的震害：落梁1971年美国的San,桥梁地震灾害概述,位移引发的震害：落梁,1995年日本的阪神地震,西宫港大桥，主跨252米的钢系杆拱桥第一跨由于支承面搭接长度小于主桥和引桥间的相对位移而引发落梁震害。,桥梁地震灾害概述位移引发的震害：落梁1995年日本的阪神地震,桥梁地震灾害概述,位移引发的震害：落梁,2008年我国的汶川地震,庙子坪大桥,桥梁地震灾害概述位移引发的震害：落梁2008年我国的汶川地震,桥梁地震灾害概述,位移引发的震害：桥台坍塌,1990年哥斯达黎加地震,破坏之前的桥台,破坏之后的桥台,Rio Banano Bridge,桥梁地震灾害概述位移引发的震害：桥台坍塌1990年哥斯达黎加,桥梁地震灾害概述,位移引发的震害：桥台坍塌,1990年哥斯达黎加地震,Rio Viscaya Bridge,在上部主梁强大的水平惯性力冲撞和台后被动土压力的双重作用下，桥台发生大角度的倾覆，背墙断裂，桩基断折。,桥梁地震灾害概述位移引发的震害：桥台坍塌1990年哥斯达黎加,桥梁地震灾害概述,位移引发的震害：碰撞,主梁与桥台间的碰撞,主梁与桥墩间的碰撞,相邻主梁间的碰撞,桥梁地震灾害概述位移引发的震害：碰撞主梁与桥台间的碰撞主梁与,桥梁地震灾害概述,位移引发的震害：支座失效/破坏,2008年我国的汶川地震,映秀岷江桥,寿江大桥,桥梁地震灾害概述位移引发的震害：支座失效/破坏2008年我国,桥梁地震灾害概述,位移引发的震害：挡块破坏,2008年我国的汶川地震,映秀岷江桥,庙子坪大桥,桥梁地震灾害概述位移引发的震害：挡块破坏2008年我国的汶川,桥梁地震灾害概述,墩柱震害：弯曲破坏,1994年美国Northridge EarthquakeBull Creek Canyon Channel bridge,1995年日本阪神地震墩柱纵筋搭接失效破坏,桥梁地震灾害概述墩柱震害：弯曲破坏1994年美国Northr,桥梁地震灾害概述,墩柱震害：弯曲破坏,1989年美国Loma Prieta Earthquake,2008年汶川地震百华大桥墩柱弯曲破坏,桥梁地震灾害概述墩柱震害：弯曲破坏1989年美国2008年汶,桥梁地震灾害概述,墩柱震害：弯曲破坏,1995年日本阪神地震中，Hanshin高速公路高架桥墩柱由于纵筋长度不够、箍筋数量不足而导致全桥侧倾,桥梁地震灾害概述墩柱震害：弯曲破坏1995年日本阪神地震,桥梁地震灾害概述,墩柱震害：剪切破坏,1971年美国San Fernando Earthquake墩柱塑性铰区内发生剪切破坏,1995年日本阪神地震墩柱在半高处发生剪弯破坏,桥梁地震灾害概述墩柱震害：剪切破坏1971年美国San Fe,桥梁地震灾害概述,墩柱震害：剪切破坏,1987年美国WhittierEarthquake I-5/I-605Separator桥墩柱的脆性剪切破坏,1994年美国NorthridgeEarthquake I-10高速公路下线桥墩柱的剪切破坏,1994年美国NorthridgeEarthquake I-118高速公路下线桥墩柱的剪切破坏,桥梁地震灾害概述墩柱震害：剪切破坏1987年美国Whitti,桥梁地震灾害概述,墩柱震害：剪切破坏,横梁处节点破坏,2008年汶川地震百华大桥墩柱震害,墩柱底部剪切破坏,桥梁地震灾害概述墩柱震害：剪切破坏横梁处节点破坏2008年汶,桥梁地震灾害概述,墩柱震害：基脚破坏,1971年美国San Fernando Earthquake墩柱的22根螺纹钢筋被全部从基脚中拔出，墩柱发生倒塌,桥梁地震灾害概述墩柱震害：基脚破坏1971年美国,桥梁地震灾害概述,节点震害,1989年美国Loma Prieta Earthquake墩柱内侧面正弯矩裂缝,1989年美国Loma Prieta EarthquakeI-280 China Basin viaduct盖梁节点的弯曲剪切破坏,桥梁地震灾害概述节点震害1989年美国Loma Prieta,桥梁地震灾害概述,节点震害,1989年美国Loma Prieta Earthquake Cypress viaduct上层高价桥的立柱节点钢筋锚固失效，上层桥面结构坍塌,桥梁地震灾害概述节点震害1989年美国Loma Prieta,桥梁地震灾害概述,节点震害,1989年美国Loma PrietaEarthquake I-880 高架立柱节点破坏,1989年美国Loma PrietaEarthquake Embarcadero高架立柱节点破坏,1989年美国Loma PrietaEarthquake I-980 高架立柱节点破坏,桥梁地震灾害概述节点震害1989年美国Loma Prieta,桥梁地震灾害概述,桥梁种种震害带来思考,桥梁应如何有效地进行抗震设计？,桥梁地震灾害概述桥梁种种震害带来思考桥梁应如何,桥梁抗震设计理论的发展,一阶段抗震设计思想 以结构强度作为破坏准则,静力法：1899年日本的大房森吉,反应谱法：1943年美国的M.A. Biot提出，1948年G.W. Housner提出基于反应谱理论的抗震计算的动力法,线弹性单自由度反应谱,综合影响系数,多自由度反应谱,桥梁抗震设计理论的发展一阶段抗震设计思想静力法：1899年日,桥梁抗震设计理论的发展,一阶段抗震设计思想 反应谱概念：,桥梁抗震设计理论的发展一阶段抗震设计思想,桥梁抗震设计理论的发展,一阶段抗震设计思想 设计反应谱概念：,不同自振周期的单自由度系统在不同地震时程波作用下的峰值加速度反应按照场地和概率水平进行光滑化包络处理，即设计反应谱。,桥梁抗震设计理论的发展一阶段抗震设计思想不同自振周期的单自由,桥梁抗震设计理论的发展,一阶段抗震设计思想 静力法：忽略了地面运动特性和结构的动力特性。 反应谱法：综合影响系数取值过于笼统，无法考虑地震波 输入的相位差、非线性二次效 应、结构-基础- 土共同作用等。,桥梁抗震设计理论的发展一阶段抗震设计思想,桥梁抗震设计理论的发展,两/三阶段抗震设计思想 破坏准则兼顾结构强度和变形,二阶段设计：保证结构的强度；验算结构的变形（延性）,三阶段设计：小震不坏；中震可修；大震不倒,设计地震,超设计地震,中等地震,动态时程分析法,桥梁抗震设计理论的发展两/三阶段抗震设计思想二阶段设计：保证,桥梁抗震设计理论的发展,我国现行的桥梁抗震设计规范 公路桥梁抗震设计细则(JTG-T B02-01-2008) 城市桥梁抗震设计规范(CJJ 166-2011)采用了“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准设防目标和两阶段抗震设计方法；采用弹性方法计算桥梁在小震作用下的强度，用计算所得的组合内力验算构件截面；考虑结构的延性，并引入能力保护原则，进行桥梁在大震作用下的变形/延性指标验算；桥梁的延性和耗能能力大多是通过构造措施获得。,桥梁抗震设计理论的发展我国现行的桥梁抗震设计规范,桥梁抗震设计理论的发展,我国现行桥梁抗震设计规范的地震水准、性能目标和性能指标,桥梁抗震设计理论的发展我国现行桥梁抗震设计规范的地震水准、性,桥梁抗震设计理论的发展,我国现行桥梁抗震设计规范的设防分类和设防标准,桥梁抗震设计理论的发展我国现行桥梁抗震设计规范的设防分类和设,桥梁抗震设计理论的发展,我国现行桥梁抗震设计规范的不足 设计方法：实质依然以基于强度为主，辅以延性或位移验算，难以对桥梁进行经济性评估。 设防水准：“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防思想规定较模糊，在实际设计中很难控制。 性能指标：“不坏”、“可修”、“不倒”三种设防目标缺乏缺乏明确合理的指标予以保证。,桥梁抗震设计理论的发展我国现行桥梁抗震设计规范的不足,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能抗震设计思想的演化历程1976年，新西兰学者R. Park提出的基于能力原理的抗震设计，其中已包含许多关于性能设计的思想； 1981年，M.A. Sozen首先系统地阐述了控制结构位移的抗震设计思想；上个世纪九十年代初，J.P. Moehle提出了基于位移的抗震设计理论； 1995年，M.J. Kowalsky和G.M. Calvi提出了一种直接基于位移的抗震设计方法；二十世纪九十年代，美、日学者提出并开始研究建筑结构基于性能/位移的抗震设计，随后得到各国的广泛关注。,基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的演化历程,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能抗震设计思想的演化历程 加州结构工程师协会（SEAOC）在1995年提出的新建结构基于性能的抗震设计建议Vision2000。在Vision2000中，除了借鉴了ATC-40和FEMA-273中关于性能目标的定义外，还针对结构的重要性和地震设防水准，建立了结构的性能矩阵。,结构的性能矩阵,性能矩阵蕴含了性能目标选择的两个基本原则，即在不同的地震设防水准下，结构物应对应于不同的性能目标；对不同重要性的结构物，性能目标应有所区别。,基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的演化历程结构,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能的抗震设计思想的特点性能目标的多级性：在不同的地震设防水准下，结构满足不同等级的性能要求；性能目标的可选性：根据结构的用途及业主、使用者等的特殊要求，由工程师同业主、使用者共同研究制订结构的性能目标；结构抗震性能的可控制性：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。,基于性能抗震设计思想的提出基于性能的抗震设计思想的特点,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能抗震设计思想的主要内容,基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容地震,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能抗震设计思想的主要内容地震设防水准的确定,基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容地震,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能抗震设计思想的主要内容地震设防水准的确定,Vision2000定义的地震设防水准,基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容设防,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能抗震设计思想的主要内容结构性能目标的确定,Vision2000定义的位移性能目标,基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容设防,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能抗震设计思想的主要内容结构地震反应的预测方法 动态时程分析方法：精确；但计算量大、分析复杂 替代结构法：简便易行；但存在等效阻尼比和振型阻尼比的计算问题 弹塑性静力分析法：计算简单，可得到结构从开始到破坏的全过程信息，便于对结构的性能做出恰当的评价，在基于性能的抗震设计中得到了广泛的应用，如ATC-40和FEMA-273；但对高阶振型影响的考虑尚有欠缺,基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能抗震设计思想的主要内容基于性能的抗震设计方法 这是目前基于性能的抗震设计方法从理论到实践的最大障碍：破坏准则、合理的性能参数、性能参数的量化等。 目前，基于位移的抗震设计（Displacement-based seismic design）是实现基于性能抗震设计思想的一条有效途径。,基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的主要内容,基于性能抗震设计思想的提出,基于性能抗震设计思想的一般步骤,满足性能目标,YES,NO,结构达到预期的性能,根据业主要求和经济条件确定性能目标,根据性能目标进行结构设计,对已设计的结构进行性能评估,基于性能抗震设计思想的提出基于性能抗震设计思想的一般步骤满足,规则梁桥基于位移的抗震设计,单自由度体系的等效 规则桥梁：基础振型起绝对贡献作用，可等效为单自由度体系。 非规则桥梁：高阶振型的影响不能忽略。,桥梁结构单墩模型,规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效桥梁结构单墩模型,规则梁桥基于位移的抗震设计,单自由度体系的等效,替代结构与等效单自由度体系的转化,（a）替代结构,（b）等效单自由度体系,规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效替代结构与等效单,规则梁桥基于位移的抗震设计,单自由度体系的等效假设 与 之间有如下的比例关系： 假设加速度与位移之间成正比例关系，则由式（1）可得：令替代结构的惯性力合力与等效SDOF体系的惯性力相等，则有：由式（3），则可得到等效SDOF体系的质量为：由式（3）和（4）可得到作用于替代结构上每个自由度的惯性力为：,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效（1）（2）（3,规则梁桥基于位移的抗震设计,单自由度体系的等效令替代结构的惯性力做功之和与等效SDOF体系惯性力所做的功相等，即：将式（5）代入上式，则有：由式（1）、（4）、（6），即可得到等效SDOF体系的质量、目标位移，等效刚度可由等效SDOF的惯性力和目标位移得到，如下式：根据目标位移 ，得到各个桥墩的目标位移延性系数 ，按下式计算替代结构中各个桥墩的等效阻尼比 和等效SDOF体系的阻尼比 ：,（6）,（7）,（8）,（9）,规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效（6）（7）（8,规则梁桥基于位移的抗震设计,单自由度体系的等效 由于在设计初始，桥墩的屈服力未知，因而无法按式（10）来计算权重 ，鉴于此，Kowalsky建议可以取各个桥墩 的平均值来作为初始的 。,（10）,规则梁桥基于位移的抗震设计单自由度体系的等效（10）,规则梁桥基于位移的抗震设计,进行等效SDOF体系的设计 根据等效SDOF体系的等效质量、目标位移和等效阻尼比，就可以得到等效SDOF体系的设计力。计算MDOF体系中各个桥墩的设计力 根据等效SDOF体系的设计力，按照桥墩设计弯矩相等的原则，计算原MDOF体系中各个桥墩相应的设计力，并据此进行截面的配筋设计。确定新的目标位移模式 根据各个桥墩的设计力和前面确定的目标位移，按下式重新确定墩柱的等效刚度:,（11）,规则梁桥基于位移的抗震设计进行等效SDOF体系的设计（11）,规则梁桥基于位移的抗震设计,基于这个等效刚度，重新对替代结构进行振型分析，计算结构新的目标位移模式，并同上次确定的目标位移模式进行对比。如相差较大，则以新的目标位移模式为起点，重复上述过程，直到收敛。,基于位移设计方法的设计流程,规则梁桥基于位移的抗震设计 基于位移设计方法的设计流程,规则梁桥基于位移的抗震设计,从上述推导过程可以看出，MDOF体系基于位移抗震设计方法的关键主要在于以下两个方面：如何根据结构的实际情况，合理地选择目标位移模式；在设计过程中，如何保证结构在设计地震下的位移反应接近于给定的目标位移模式。而要实现这一点，首先必须要有一套简便的、精确的位移需求计算方法。,规则梁桥基于位移的抗震设计 从上述推导过程可以看,小结,基于性能的抗震设计方法应用于工程实践有待于完善的地方地震动水平 确定结构性能目标确定结构变形限制指标的确定 非结构构件的影响要继续研究结构的抗震分析方法 继续完善非线性动力分析方法 性能指标与投资效益的关系,小结基于性能的抗震设计方法应用于工程实践有待于完善的地方,谢谢,谢谢,
