基于性能抗震设计,同济大学

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

2、组预期的性能目标。能达到一组预期的性能目标。 Rare eventsOccasional events非弹性范围Frequent events弹性范围水平地震力Very rare events墩顶水平位移破坏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保证结构工作在弹性范围内保证结构工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

3、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，研究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

4、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

5、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

6、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？nyu曲率nMyMMu弯距=Vc0Vc0Mn_0coMMcoPVcon0=M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yy中性轴ixyix形心轴oAiiyinyu曲 率nMyMMu弯 距=Vc0Vc0Mn_0004. 0c06. 0018. 0scor2()()32ypuuypLLLL 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破破坏坏水水平平（Damage level）

7、 应应变变 混混凝凝土土 钢钢筋筋 延延性性 曲曲率率延延性性 位位移移延延性性 Significant Damage cu sh 810 46 Repairable Damage 0.00523cu 0.0823sh 46 24 Minimum Damage 0.004cu 0.031.5y 24 12 表表中中：cu约约束束混混凝凝土土的的极极限限压压应应变变 y钢钢筋筋的的屈屈服服应应变变 sh为为钢钢筋筋强强化化应应变变（hardening strain） 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

8、（推倒分析bVUNF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 和弯矩和弯矩MMu u根据弯矩根据弯矩MMu 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224effeffMKTueffuuuHKMHL0%5%10%20%位移周期yueffKcrKuH力位移MLH位移需求（结构

9、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AC

10、T-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

11、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

12、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

13、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

14、，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 chosen ground motion intensity parameter (typically peak ground or motion in

15、tensity 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00.250.50.75100.20.40.60.81PGA (g)Probability of Being ExceededMinorModerateMajorCollapse0.600.800.950.40Median PGA (g)Log-S.DMinor0.400.8Moderate0.60Major0.80Collaps

16、e0.95Fragility CurvesFragility Curves for Caltrans Bridges00.20.40.60.8100.20.40.60.811.2PGA (g)Probability of Exceeding Damage StateMinor DamageModerate DamageMajor DamageCollapseFragilitycurves for the various components of the MSSS-SG bridge for: (a) slight damage, (b) moderate damage, (c) extens

17、ive 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 SP

18、ECTRUMDamping 5%Jacques COMBAULTTECTONIC MOVEMENTSPLAN ELEVATION PIER BASEJacques 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PierGiderExpasion JointExpa

19、sion JointFrist SegmentSecond SegmentThird SegmentM y u Pushover analysisExperimental and theoretical method are all static methods.213yyuH()()2ppmyuyLHuuLuuLpmyympSeismicForceHIdealized curvature distributions corresponding to Idealized curvature distributions corresponding to yield and ultimate fl

20、exural failureyield and ultimate flexural failure0123456780.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016单自 由度模型墩底 曲率（ 1/m）加速度调 整系数多自 由度模型屈服 曲率极限曲率0123456780.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.8极限位移屈服 位移极限位移单自 由度模型墩顶位移(m)加速度调 整系数多自 由度模型屈服 位移 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

21、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 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.00060102030405060多自 由度计算模型多自 由度计算模型多自 由度计算模型t=4.864st=2.91s高度(m)曲率(1/m)0.00.10.20.30.40.50102030405060单自 由度计算模型多自 由度计算模型多自 由度计算模型t=4.864st=2.91s墩高(m)位移(m)（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 （b） 加速度调整系数加速度调整系数=

22、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高高(m)增量动力分析增量动力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单自由度模型单自由度模型屈服位移屈服位移uy(m)极限位移极限位移um(m)延性系数延性系数m屈服位移屈服位移uy(m)极限位移极限位移um(m)延性系数延性系数m屈服位移屈服位移uy(m)极限位移极限位移um(m)延性系数延性系数m300.1410.433.050.1820.5783.180.1760.5262.99600.26180.65952.520.541.653.050.500.1583.16elcen

23、troLoma-p1Nridge1Oakwh1Sanfern1屈服位移屈服位移（m）2.6168e-13.5126e-12.6483e-13.3561e-14.0676e-1极限位移极限位移（m）6.5948e-16.7501e-15.4087e-16.755e-17.2308e-1最大位移延性系数最大位移延性系数2.521.922.042.011.77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 researchPseudo-static test of a ta

24、ll pier 2. Seismic researchA-A11111111111 1111111111111111 111113374256850250129650812412450015015015022614640150106+4x86+106222247422614474614474124124106.5+3x81+106.562022764808157623012485050567488112478060038003800450450450450CCBBC-C140051014001AA1400380040010090090040064015015x5025015x5034x10012x5060012x5060012x504004