橋梁延性抗震設計

1、第7章 橋梁延性抗震設計 n71延性的基本概念n72延性對橋梁抗震的意義n73延性抗震設計方法簡介 n20世紀60年代，以紐馬克(newmark)為首的學者基于結構的非線性地震反應研究，提出用“延性”的概念來概括結構物超過彈性階段后的抗震能力。他們認為在抗震設計中，除了強度與剛度之外，還必須重視加強結構延性。n另一方面，人們也從震害中認識到了結構的延性。震害調查顯示，在強烈的地震動作用下，按規(guī)范進行抗震設計的結構很多情況下并不具備抵抗強震的足夠強度，但有些結構卻沒有倒塌，甚至沒有發(fā)生嚴重破壞。這些結構能夠在地震中幸存，是因為結構的初始強度能夠基本維持，沒有因非彈性變形的加劇而過度下降，也即具有

2、較好的延性。 n目前，抗震設計方法正在從傳統(tǒng)的強度理論向延性抗震理論過渡，大多數多地震國家的橋梁抗震設計規(guī)范已采納了延性抗震理論。延性抗震理論不同于強度理論的是，它是通過結構選定部位的塑性變形(形成塑性鉸)來抵抗地震作用的。利用選定部位的塑性變形，不僅能消耗地震能量，還能延長結構周期，從而減小地震反應。71延性的基本概念 n711延性的定義 n通常定義為在初始強度沒有明顯退化情況下的非彈性變形能力。它包括兩個方面的能力，一是承受較大的非彈性變形，同時強度沒有明顯下降的能力；二是利用滯回特性吸收能量的能力。n從延性的本質來看，它反映了一種非彈性變形的能力，即結構從屈服到破壞的后期變形能力，這種能

3、力能保證強度不會因為發(fā)生非彈性變形而急劇下降。 7.1.2延性指標 n（1）曲率延性系數n（2）位移延性系數72延性對橋梁抗震的意義 n地震之所以造成結構損壞甚至倒塌，在于它激起的地震慣性力超過了結構的強度。如果純粹依靠強度來抵抗地震作用，無疑會造成材料的巨大浪費。因此，在工程抗震中，一般都希望利用結構和構件的延性抗震，即利用塑性鉸減小地震力，并耗散能量。n從變形的角度看，地震造成結構損壞的原因，在于它激起的變形超出了結構的彈性極限變形；同樣，地震造成結構倒塌的原因，在于它激起的反復的彈塑性變形，超出了結構的滯回延性。因此，如果通過設計，使結構具有能夠適應大震彈塑性變形的滯回延性，則結構在遭遇

4、大地震時，盡管可能嚴重損壞，但結構抗震設防的最低目標免于倒塌破壞，卻始終能得到保證。這種思想即為延性抗震設計的基本思想。 n從能量的觀點看，結構延性抗震設計的基本原理，是將結構部分構件設計成具有較好的滯回延性，在預期的地震動作用下，通過延性構件發(fā)生的反復彈塑性變形循環(huán)耗散掉大量的地震輸入能量，從而保證結構的抗震安全。 n必須指出的是，延性抗震在經濟上的優(yōu)勢是以結構出現一定程度的損壞為代價的。這也是延性抗震設計的一個主要缺陷。 73延性抗震設計方法簡介 n要保證延性結構在大震下以延性的形式反應，能夠充分發(fā)揮延性構件的延性能力，就必須確保不發(fā)生脆性的破壞模式(如剪切破壞)，以及防止脆性構件和不希望

5、發(fā)生非彈性變形的構件發(fā)生破壞。要達到這一目的，就要采用能力設計方法進行延性抗震設計。這一方法，目前正逐漸為世界各國的規(guī)范所接受。 n能力保護設計原則的基本思想在于:通過設計，使結構體系中的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異，確保結構構件不發(fā)生脆性的破壞模式。731能力設計方法 n與常規(guī)的強震設計方法相比，能力設計方法強調可以控制的延性設計。常規(guī)設計方法與能力設計方法 結構抗震性能常規(guī)設計方法能力設計方法塑性鉸出現位置不明確預定的構件部位塑性鉸的布局隨機預先選擇局部延性需求難以估計與整體延性需求直接聯(lián)系結構整體抗震性能難以預測可以預測防止結構倒塌破壞概率有限概率意義上的最大限度n能力設計方法

6、是抗震概念設計的一種體現，它的主要優(yōu)點是設計人員可對結構在屈服時、屈服后的性狀給予合理的控制，即結構屈服后的性能是按照設計人員的意圖出現的，這是傳統(tǒng)抗震設計方法所達不到的。n此外，根據能力設計方法設計的結構具有很好的韌性，能最大限度地避免結構倒塌，同時也降低了結構對許多不確定因素的敏感性。 能力設計方法進行延性設計的步驟n 1)在概念設計階段，選擇合理的結構布局；n 2)確定地震中預期出現的彎曲塑性鉸的合理位置，并保證結構能形成一個適當的塑性耗能機制；n 3)對潛在塑性鉸區(qū)域，通過計算分析或估算建立截面“彎矩一轉角”之間的對應關系；然后利用這些關系確定結構的位移延性和塑性鉸區(qū)截面的預期抗彎強度

7、；n 4)對選定的塑性耗能構件，進行抗彎設計；n 5)估算塑性鉸區(qū)截面在發(fā)生設計預期的最大延性范圍內的變形時，其可能達到的最大抗彎強度；n 6)按塑性鉸區(qū)截面的彎曲超強強度，進行塑性耗能構件的抗剪設計以及能力保護構件的強度設計； n7)對塑性鉸區(qū)域進行細致的構造設計，以確保潛在塑性鉸區(qū)截面的延性能力。 n8）對于脆性構件或不希望出現塑性變形的構件，確保其強度安全等級高于包含塑性鉸的構件7.3.2 潛在塑性鉸位置的選擇7.3.2 潛在塑性鉸位置的選擇 n橋梁預期出現塑性鉸的位置通常在便于發(fā)現和易于修復的墩柱的下端或上端，把鋼筋混凝土橋墩設計成延性構件。74 鋼筋混凝土橋墩的延性設計 n1.鋼筋混

8、凝土橋墩的延性性能n（1）軸壓比：軸壓比提高，延性下降n（2）箍筋用量：適當加密箍筋配置，可以大幅度提高延性。n（3）箍筋形狀：螺旋箍比矩形箍有更好的約束效果。n（4）混凝土強度：強度越高，延性越低n（5）保護層厚度：厚度增大，對延性不利。n（6）縱向受拉鋼筋：縱向受拉鋼筋的增加，總體上對延性有不利的影響。n（7）截面形式：空心截面比實心截面延性好；圓形截面的延性比矩形截面的好。 7.4.2延性橋梁的抗震構造設計 n1延性橋墩中縱向鋼筋的考慮 7.4.2延性橋梁的抗震構造設計n1延性橋墩中縱向鋼筋的考慮 n縱向鋼筋對約束混凝土墩柱的延性有較大影響，因此，延性墩柱中縱向鋼筋含量不應太低。n但縱向

9、鋼筋的含量太高，不利施工，另外，縱向鋼筋含量過高還會影響墩柱的延性，所以縱向鋼筋的含量應有一上限。n根據我國橋梁結構的具體情況，08細則建議墩柱縱向鋼筋的配筋率范圍0.006 -0.04。2延性橋墩中橫向鋼筋的考慮 n橫向箍筋有延性橋墩中起到三個方面的作用：、用于約束塑性鉸區(qū)混凝土；二、提供抗剪能力；三、防止縱向鋼筋壓屈。因此，各國規(guī)范對延性橋墩中橫向箍筋的有關規(guī)定也是最多的。 n為了能提供更好的約束效果，caltrans規(guī)范還規(guī)定縱筋之間的最大間距不得超過20cm；歐洲規(guī)范規(guī)定縱筋之間的最大間距不得超過核心混凝土最小尺寸的13或35cm，但可以超過20cm；新西蘭規(guī)范規(guī)定，對矩形及圓形截面延

10、件橋墩，縱筋之間的最大間距不得超過截面直徑的14，也不得超過20cm。 3 延性橋墩塑性鉸區(qū)長度的規(guī)定 n橋墩塑性鉸區(qū)長度用于確定實際施工中延性橋墩箍筋加密段的長度n等效塑性鉸長度則只是理論上的一個概念。n各國現行規(guī)范都對延性橋墩的塑性鉸區(qū)長度作了明確的規(guī)定。4延性橋墩中鋼筋的錨固與搭接 n因鋼筋錨固與搭接細部設計不當引起的橋梁震害，在多次破壞性地震中都時有發(fā)現。由于延性橋墩預期在大震作用下，即使保護層混凝土脫落，抗力也沒有明顯的下降。因此，從保證橋墩的延性能力方面看，對塑性鉸區(qū)截面內鋼筋的錨固和搭接細節(jié)都必須加以仔細的考慮。各國現行規(guī)范對這方面也都作了明確的規(guī)定。 7.5 b 類、c 類橋梁墩柱的變形驗算n1.在e2 地震作用下，一般情況應驗算潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉動能力，但對于規(guī)則橋梁，可驗算橋墩墩頂的位移;對于高寬比小于2.5 的矮墩，可不驗算橋墩的變形，但應驗算強度。n2 在e2 地震作用下，應按下式驗算橋墩潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉動能力:np一一在e2 地震作用下，潛在塑性鉸區(qū)域的塑性轉角;n u-塑性鉸區(qū)域的最大容許轉角。7.6能力保護構件設計n能力保護