ch5 桥梁延性抗震设计

1、1 2022-6-30 桥梁抗震第五章第五章 桥梁延性抗震设计桥梁延性抗震设计 延性的基本概念延性的基本概念 延性对桥梁抗震的意义延性对桥梁抗震的意义 延性抗震设计方法延性抗震设计方法 钢筋混凝土墩柱的延性设计钢筋混凝土墩柱的延性设计目前，大多数多地震国家的桥梁抗震设计规范已采纳了延性抗震理论。延性抗震理论通过结构选定部位的塑性变形（形成塑性铰）来抵抗地震作用的。2 2022-6-30 桥梁抗震5.1 延性的基本概念延性的基本概念5.1.1 延性的定义延性的定义材料、构件或结构的延性，通常定义为在初始强度没有明显退化情况下的非弹性变形能力。 承受较大非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力 利用

2、滞回特性吸收能量的能力材料的延性:发生了较大的非弹性变形，强度没有明显下降/脆性结构构件的延性：局部延性结构的延性：整体延性在地震动（随机反复荷载）作用下，结构和构件的在地震动（随机反复荷载）作用下，结构和构件的延性会有所降低。延性会有所降低。3 2022-6-30 桥梁抗震 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5051015202530354045-30-20-100102030 模型2 轴压比：15%含箍率：0.40%配筋率：1.13%砼强度：19.4横向力(KN)墩顶横向位移(mm) -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5051

3、015202530354045-40-30-20-10010203040模型3 轴压比：20%含箍率：0.57%配筋率：1.54%砼强度：19.4横向力(KN)墩顶横向位移(mm)实测恢复力曲线实测恢复力曲线截面尺寸：10cm*10cm墩高：100cm保护层厚度：1.5cm4 2022-6-30 桥梁抗震5.1.2 延性指标延性指标（1）曲率延性系数）曲率延性系数 MmaxMyMu屈服点开裂点弯矩最大点失效点图5.1 截面弯矩曲率关系示意图yu塑性铰区截面的极限曲率与屈服曲率之比：yu（2）位移延性系数）位移延性系数构件的位移延性系数构件的最大位移与屈服位移之比：yu结构的位移延性系数 与结构

4、的布置有关钢筋混凝土截面的屈服曲率：*截面最外层受拉钢筋初始屈服时（适筋构件）*截面混凝土受压区最外层纤维初次达到峰值应变值时（超筋构件或高轴压比轴压比构件）极限曲率：*被箍筋约束的核心混凝土达到极限压应变*临界截面的抗弯能力下降到最大弯矩值的85%。5 2022-6-30 桥梁抗震图5.2 理论屈服曲率定义美国加州Caltrans抗震设计规范中，采用的理论屈服曲率定义：所包围的面积相等 yiiyMM6 2022-6-30 桥梁抗震 一个结构或构件可能有较大的变形能力，但它实际可利用的延性却可能较低。 一个结构或构件可能有较大的延性，但最大位移延性系数却可能较低。5.1.3 延性、位移延性系数

5、与变形能力延性、位移延性系数与变形能力变形能力延性 y u 变形抗力RRy位移延性系数u/y 图5.2 延性、位移延性系数和变形能力图5.3 柔性高墩与延性矮墩的比较 sy ty su tu 变形抗力R矮墩的力位移曲线高墩的力位移曲线s6t37 2022-6-30 桥梁抗震5.1.4 曲率延性系数与位移延性系数的关系曲率延性系数与位移延性系数的关系 (a) (b)M (C)屈服 (d)极限状态图 5.4 悬臂墩曲率分布dxdxx)(ylxx)(墩底截面刚刚屈服时231lyy等效塑性铰长度 ：假设在墩底附近存在一个长度为 的等塑性曲率段，在该段长度内截面的塑性曲率等于墩底截面的最大塑性曲率plp

6、l)(yuppl)5 . 0()()5 . 0(ppyuppplllll8 2022-6-30 桥梁抗震)5 . 01 () 1(311llllppypypy欧洲规范Eurocode 8：yspfdll022. 008. 0hlp)6 . 04 . 0(表5.2 桥墩位移延性系数与长细比的关系hl /2.5510202020hlp5 . 020给定： 临界截面的曲率延性系数比相应的墩顶位移延性系数要大得多 在截面及材料特性均相同的条件下，墩越高，位移延性系数越低基于试验的经验公式9 2022-6-30 桥梁抗震5.1.5 桥梁结构的整体延性与构件局部延性的关系桥梁结构的整体

7、延性与构件局部延性的关系桥梁结构的位移延性系数，通常定义为上部结构质量中心处的极限位移与屈服位移之比。单墩模型：结构的屈服位移和极限位移分别对应于墩底截面到达屈服曲率和极限曲率时。yrTbyfbytyC (a)具有可变形的基础和弹性支座 （b）结构屈服位移图5.5 “单墩模型”桥梁结构的屈服位移tyyuypyptytuCC) 1(CCCCyuytytut) 1() 1(11ybrTC变形增大系数假定只有桥墩发生非弹性变形：考虑支座弹性变形和基础柔度影响时，结构的位移延性系数比桥墩的位移延性系数小；而且支座和基础的附加柔度越大，结构的位移延性系数越小。10 2022-6-30 桥梁抗震* 纯粹依

8、靠强度抗震不经济，希望利用延性抗震，即利用塑性铰减小地震力，并耗散能量。* 使结构具有能够适应大地震激起的反复的弹塑性变形循环的滞回延性* 地震输入能量地震输入能量=结构的动能+弹性应变能+阻尼耗能+滞回耗能通过延性构件在地震动下发生的反复的弹塑性变形循环，耗散掉大量的地震输入能量，保证结构的抗震安全5.2 延性对延性对桥梁抗震的意义桥梁抗震的意义图5.6 滞回耗能与弹性应变能示意图延性抗震必须以结构出现一定程度的损坏为代价。延性抗震必须以结构出现一定程度的损坏为代价。能量强度变形11 2022-6-30 桥梁抗震5.3 延性抗震设计方法简介延性抗震设计方法简介延性抗震，必须保证结构具有的延性

9、（）超过预期地震动所能激起的最大非弹性变形（）。规则桥梁：简化的延性抗震设计复杂桥梁：非线性动力时程分析要充分发挥延性能力，必须采用进行延性设计12 2022-6-30 桥梁抗震5.3.1 能力设计方法能力设计方法 (a) 脆性链子 (b)延性链子图5.7 能力设计方法的原理示意图PP脆性链子，强度为延性链子 强度为Pd脆性链子，强度为ibPibPibPibP1dPy2假设延性链子的设计强度为Pd，其可能发挥的最大强度（超强）为 ，其中， 为超强因子。为保证整个链接破坏时是延性的，要求所有脆性链子的设计强度满足：dP00dibPP0在结构体系中的延性构件和能力保护构件（脆性构件以及不希望发生非

10、弹性变形的构件）之间建立强度安全等级差异（如同保险丝），以确保结构不会发生脆性的破坏模式。13 2022-6-30 桥梁抗震能力设计方法的主要优点：设计者可对结构在屈服时、屈服后的性状给予合理的控制，即结构屈服后的性能是按照设计者的意图出现的。最大限度地避免倒塌，降低对不确定因素的敏感性。表5.3 结构抗震性能比较结构抗震性能常规设计方法能力设计方法 塑性铰出现位置 塑性铰的布局 局部延性需求 结构整体抗震性能 防止结构倒塌破坏概率不明确随机难以估计难以预测有限预定的构件部位预先选择与整体延性需求直接联系可以预测概率意义上的最大限度采用能力设计方法进行延性抗震设计，一般分为三步： (1) 选定

11、潜在塑性铰位置，对塑性铰区截面进行强度和延性设计(2) 延性构件中脆性破坏模式检算(3) 能力保护构件设计14 2022-6-30 桥梁抗震5.3.2 潜在塑性铰位置的选择潜在塑性铰位置的选择图5.8 潜在塑性铰位置的选择选择结构中预期出现的塑性铰位置时，应能使结构获得最结构获得最优的耗能优的耗能，并尽可能使预期的塑性铰出现在易于发现和易预期的塑性铰出现在易于发现和易于修复的结构部位。于修复的结构部位。15 2022-6-30 桥梁抗震16 2022-6-30 桥梁抗震5.3.3 延性构件设计延性构件设计规则桥梁：实际结构的地震反应可以近似简化为单自由度系统进行分析的桥梁（即规则桥梁的地震反应

12、以一阶振型为主 ）。属于规则桥梁的桥梁结构：跨数不能太多，桥梁纵、横向的质量分布、刚度分布以及几何形状都不能有突变，相邻桥墩的刚度差异不能太大，桥墩长细比应处于一定范围，桥址的地形、地质没有突变，而且桥址场地不会有液化危险，等等。安装隔震支座和（或）阻尼器的桥梁，则属于非规则桥梁。 结构的延性类型选择 延性构件的设计地震力 延性构件的抗弯强度验算 延性构件的抗剪强度验算 延性构件的延性设计17 2022-6-30 桥梁抗震1 结构的延性类型选择结构的延性类型选择在设计延性抗震结构时，应在和之间取得适当的均衡。设计地震力图5.8 设计地震力与位移延性系数关系完全延性结构有限延性结构完全弹性结构普

13、通公路桥梁：完全延性结构型式重要性桥梁：有限延性结构型式关键性桥梁：完全弹性结构型式所选择的位移延性水平直接影响到结构的地震破坏程度！所选择的位移延性水平直接影响到结构的地震破坏程度！ 18 2022-6-30 桥梁抗震(1) 地震力折减系数地震力折减系数2 延性构件的设计地震力延性构件的设计地震力 (利用地震力折减系数，由弹性反应谱直接得到)地震力折减系数 ：强震动激起的单自由度弹性系统的最大地震惯性力 与相应的延性系统的屈服力 之比，即REFyFyEFFR （a）等位移 （b）等能量 图图5.9 5.9 等位移准则与等能量准则等位移准则与等能量准则等位移准则：（长周期(T大于0.7s)单自

14、由度系统）ymyEFFR等能量准则：（中等周期单自由度系统）12yEFFR19 2022-6-30 桥梁抗震现行规范中采用 折减表5.4 现行公路工程抗震设计规范规定的综合影响系数Cz 桥墩计算高度 H（m） 桥梁和墩、台类型 10H 2010 H 3020 H 柔性墩 柱式桥墩、排架桩墩、薄壁桥墩 0.30 0.33 0.35 实体墩 天然基础和沉井基础上的实体桥墩 0.20 0.25 0.30 多排桩基础上的桥墩 0.25 0.30 0.35 梁桥 桥 台 0.35 拱 桥 0.35 20 2022-6-30 桥梁抗震(2) 延性构件的设计地震力延性构件的设计地震力在强震作用下，规则桥梁结

15、构质量中心处的水平地震力，可以根据结构的延性类型，利用地震力折减系数和弹性反应谱理论来计算。完全延性结构：RGKRFFtphE1RGKRFFtphE1tphEGKFF1有限延性结构：完全弹性结构：反映有限延性结构的变形能力储备，取值大于1.0按各桥墩的抗推刚度，把F分配到各桥墩，即得到各桥墩的设计水平地震力。21 2022-6-30 桥梁抗震(3) 延性构件的抗弯强度验算延性构件的抗弯强度验算根据规范的规定，将地震作用效应和其它荷载效应进行组合，并按承载能力极限状态法进行临界截面的抗弯强度验算。(4) 延性构件的抗剪强度验算延性构件的抗剪强度验算根据能力设计原理进行： 计算塑性铰区截面的名义抗

16、弯强度 （采用约束混凝土的应力-应变关系） 计算桥墩塑性铰区截面的超强弯矩 ， 为抗弯超强因子 由塑性铰区截面的超强弯矩 ，确定桥墩的设计剪力V 按规范规定的抗剪强度公式，对延性桥墩进行抗剪强度验算RMRMM0000M(5) 延性构件的延性设计延性构件的延性设计钢筋混凝土延性桥墩的延性设计： 根据设计预期的结构位移延性水平，通过计算确定塑性铰区的横向约束箍筋用量（通过横向钢筋约束混凝土提高延性）。 配筋构造设计22 2022-6-30 桥梁抗震5.3.4 能力保护构件设计能力保护构件设计(1) 盖梁设计盖梁设计(2) 支座设计支座设计(3) 基础设计基础设计与延性桥墩直接连接的盖梁，应按桥墩塑

17、性铰区截面的超强弯矩计算设计荷载效应，并按设计规范规定进行强度验算。与延性桥墩直接连接的基础，应按桥墩塑性铰区截面的超强弯矩计算设计荷载效应，并按设计规范规定进行强度验算。对于设置在延性桥墩上的弹性支座或固定支座，抗震验算时支座的设计地震力应根据桥墩塑性铰区截面的超强弯矩进行计算。23 2022-6-30 桥梁抗震5.4 钢筋混凝土墩柱的延性设计钢筋混凝土墩柱的延性设计为了提高钢筋混凝土墩柱的延性性能，通常用做成密排螺旋筋或箍筋形式的横向约束钢筋来约束混凝土。5.4.1 横向箍筋对混凝土的约束作用横向箍筋对混凝土的约束作用图5.10 箍筋对核心混凝土的约束作用当混凝土中的应力较低时，混凝土不受

18、约束。当混凝土中的应力接近单轴强度时，内部开裂不断发展，横向应变变得很大，于是横向钢筋受拉，混凝土就变成受约束的了。横向箍筋能有效地限制混凝土的横向膨胀，改善核心混凝土的应力应变关系，并阻止纵向钢筋屈曲。影响钢筋混凝土墩柱延性的因素：影响钢筋混凝土墩柱延性的因素：桥墩截面、纵筋配置、轴压比、混凝土标号、箍筋含量及配置方案箍筋含量及配置方案24 2022-6-30 桥梁抗震 (a) 圆形箍筋或螺旋筋 (b) 配置交叉拉筋的矩形箍筋 (c)部分重叠的箍筋(e)横向钢筋的约束作用 (f)纵向钢筋的约束作用图 5.12 横向钢筋和纵向钢筋对核心混凝土的约束作用影响参数：轴压比箍筋用量箍筋形状混凝土强度保护层厚度纵向钢筋截面形式25 2022-6-30 桥梁抗震5.4.2 钢筋混凝土墩柱的延性指标计算钢筋混凝土墩柱的延性指标计算图5.11 普通约束混凝土的应力应变曲线y m应变 应力(Mpa)y图5.14 纵向钢筋的应力应变曲线混凝