ch5-橋梁延性抗震設計解讀課件

1、第五章 橋梁延性抗震設計 延性的基本概念 延性對橋梁抗震的意義 延性抗震設計方法 鋼筋混凝土墩柱的延性設計目前，大多數(shù)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。延性抗震理論通過結(jié)構(gòu)選定部位的塑性變形（形成塑性鉸）來抵抗地震作用的。5.1 延性的基本概念5.1.1 延性的定義材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的延性，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。 承受較大非彈性變形，同時強度沒有明顯下降的能力 利用滯回特性吸收能量的能力材料的延性:發(fā)生了較大的非彈性變形，強度沒有明顯下降/脆性結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性：局部延性結(jié)構(gòu)的延性：整體延性在地震動（隨機反復荷載）作用下，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性會有所降低。

2、實測恢復力曲線截面尺寸：10cm*10cm墩高：100cm保護層厚度：1.5cm5.1.2 延性指標（1）曲率延性系數(shù) MmaxMyMu屈服點開裂點彎矩最大點失效點圖5.1 截面彎矩曲率關系示意圖塑性鉸區(qū)截面的極限曲率與屈服曲率之比：（2）位移延性系數(shù)構(gòu)件的位移延性系數(shù)構(gòu)件的最大位移與屈服位移之比：結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù) 與結(jié)構(gòu)的布置有關鋼筋混凝土截面的屈服曲率：截面最外層受拉鋼筋初始屈服時（適筋構(gòu)件）截面混凝土受壓區(qū)最外層纖維初次達到峰值應變值時（超筋構(gòu)件或高軸壓比構(gòu)件）極限曲率：被箍筋約束的核心混凝土達到極限壓應變臨界截面的抗彎能力下降到最大彎矩值的85%。圖5.2 理論屈服曲率定義美國加州C

3、altrans抗震設計規(guī)范中，采用的理論屈服曲率定義：所包圍的面積相等 一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可能有較大的變形能力，但它實際可利用的延性卻可能較低。 一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可能有較大的延性，但最大位移延性系數(shù)卻可能較低。5.1.3 延性、位移延性系數(shù)與變形能力變形能力延性 y u 變形抗力RRy位移延性系數(shù)u/y 圖5.2 延性、位移延性系數(shù)和變形能力圖5.3 柔性高墩與延性矮墩的比較 sy ty su tu 變形抗力R矮墩的力位移曲線高墩的力位移曲線s6t35.1.4 曲率延性系數(shù)與位移延性系數(shù)的關系 (a) (b)M (C)屈服 (d)極限狀態(tài)圖 5.4 懸臂墩曲率分布墩底截面剛剛屈服時等效塑性鉸長度 ：

4、假設在墩底附近存在一個長度為 的等塑性曲率段，在該段長度內(nèi)截面的塑性曲率等于墩底截面的最大塑性曲率歐洲規(guī)范Eurocode 8：給定： 臨界截面的曲率延性系數(shù)比相應的墩頂位移延性系數(shù)要大得多 在截面及材料特性均相同的條件下，墩越高，位移延性系數(shù)越低基于試驗的經(jīng)驗公式5.1.5 橋梁結(jié)構(gòu)的整體延性與構(gòu)件局部延性的關系橋梁結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)，通常定義為上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心處的極限位移與屈服位移之比。單墩模型：結(jié)構(gòu)的屈服位移和極限位移分別對應于墩底截面到達屈服曲率和極限曲率時。 (a)具有可變形的基礎和彈性支座 （b）結(jié)構(gòu)屈服位移圖5.5 “單墩模型”橋梁結(jié)構(gòu)的屈服位移變形增大系數(shù)假定只有橋墩發(fā)生非彈性

5、變形：考慮支座彈性變形和基礎柔度影響時，結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)比橋墩的位移延性系數(shù)?。欢抑ё突A的附加柔度越大，結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)越小。 純粹依靠強度抗震不經(jīng)濟，希望利用延性抗震，即利用塑性鉸減小地震力，并耗散能量。 使結(jié)構(gòu)具有能夠適應大地震激起的反復的彈塑性變形循環(huán)的滯回延性 地震輸入能量=結(jié)構(gòu)的動能+彈性應變能+阻尼耗能+滯回耗能通過延性構(gòu)件在地震動下發(fā)生的反復的彈塑性變形循環(huán)，耗散掉大量的地震輸入能量，保證結(jié)構(gòu)的抗震安全5.2 延性對橋梁抗震的意義圖5.6 滯回耗能與彈性應變能示意圖延性抗震必須以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損壞為代價。能量強度變形5.3 延性抗震設計方法簡介延性抗震，必須保證結(jié)構(gòu)

6、具有的延性（延性能力）超過預期地震動所能激起的最大非彈性變形（延性需求）。延性能力延性需求規(guī)則橋梁：簡化的延性抗震設計復雜橋梁：非線性動力時程分析要充分發(fā)揮延性能力，必須采用能力設計方法進行延性設計5.3.1 能力設計方法 (a) 脆性鏈子 (b)延性鏈子圖5.7 能力設計方法的原理示意圖PP脆性鏈子，強度為延性鏈子 強度為Pd脆性鏈子，強度為基本思想：假設延性鏈子的設計強度為Pd，其可能發(fā)揮的最大強度（超強）為 ，其中， 為超強因子。為保證整個鏈接破壞時是延性的，要求所有脆性鏈子的設計強度滿足：能力設計方法的基本原理：在結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護構(gòu)件（脆性構(gòu)件以及不希望發(fā)生非彈性變形的構(gòu)

7、件）之間建立強度安全等級差異（如同保險絲），以確保結(jié)構(gòu)不會發(fā)生脆性的破壞模式。能力設計方法的主要優(yōu)點：設計者可對結(jié)構(gòu)在屈服時、屈服后的性狀給予合理的控制，即結(jié)構(gòu)屈服后的性能是按照設計者的意圖出現(xiàn)的。最大限度地避免倒塌，降低對不確定因素的敏感性。采用能力設計方法進行延性抗震設計，一般分為三步： (1) 選定潛在塑性鉸位置，對塑性鉸區(qū)截面進行強度和延性設計(2) 延性構(gòu)件中脆性破壞模式檢算(3) 能力保護構(gòu)件設計5.3.2 潛在塑性鉸位置的選擇圖5.8 潛在塑性鉸位置的選擇選擇結(jié)構(gòu)中預期出現(xiàn)的塑性鉸位置時，應能使結(jié)構(gòu)獲得最優(yōu)的耗能，并盡可能使預期的塑性鉸出現(xiàn)在易于發(fā)現(xiàn)和易于修復的結(jié)構(gòu)部位。5.3.

8、3 延性構(gòu)件設計規(guī)則橋梁：實際結(jié)構(gòu)的地震反應可以近似簡化為單自由度系統(tǒng)進行分析的橋梁（即規(guī)則橋梁的地震反應以一階振型為主 ）。屬于規(guī)則橋梁的橋梁結(jié)構(gòu)：跨數(shù)不能太多，橋梁縱、橫向的質(zhì)量分布、剛度分布以及幾何形狀都不能有突變，相鄰橋墩的剛度差異不能太大，橋墩長細比應處于一定范圍，橋址的地形、地質(zhì)沒有突變，而且橋址場地不會有液化危險，等等。安裝隔震支座和（或）阻尼器的橋梁，則屬于非規(guī)則橋梁。 結(jié)構(gòu)的延性類型選擇 延性構(gòu)件的設計地震力 延性構(gòu)件的抗彎強度驗算 延性構(gòu)件的抗剪強度驗算 延性構(gòu)件的延性設計1 結(jié)構(gòu)的延性類型選擇在設計延性抗震結(jié)構(gòu)時，應在設計地震力和位移延性水平之間取得適當?shù)木?。設計地震力

9、圖5.8 設計地震力與位移延性系數(shù)關系延性結(jié)構(gòu)根據(jù)延性能力的發(fā)揮程度分為：完全延性結(jié)構(gòu)有限延性結(jié)構(gòu)完全彈性結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)的延性類型選擇：普通公路橋梁：完全延性結(jié)構(gòu)型式重要性橋梁：有限延性結(jié)構(gòu)型式關鍵性橋梁：完全彈性結(jié)構(gòu)型式所選擇的位移延性水平直接影響到結(jié)構(gòu)的地震破壞程度！ (1) 地震力折減系數(shù)2 延性構(gòu)件的設計地震力 (利用地震力折減系數(shù)，由彈性反應譜直接得到)地震力折減系數(shù) ：強震動激起的單自由度彈性系統(tǒng)的最大地震慣性力 與相應的延性系統(tǒng)的屈服力 之比，即（a）等位移 （b）等能量 圖5.9 等位移準則與等能量準則等位移準則：（長周期(T大于0.7s)單自由度系統(tǒng)）等能量準則：（中等周期單自

10、由度系統(tǒng)）現(xiàn)行規(guī)范中采用“綜合影響系數(shù)Cz” 折減(2) 延性構(gòu)件的設計地震力在強震作用下，規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心處的水平地震力，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的延性類型，利用地震力折減系數(shù)和彈性反應譜理論來計算。完全延性結(jié)構(gòu)：有限延性結(jié)構(gòu)：完全彈性結(jié)構(gòu)：反映有限延性結(jié)構(gòu)的變形能力儲備，取值大于1.0按各橋墩的抗推剛度，把F分配到各橋墩，即得到各橋墩的設計水平地震力。(3) 延性構(gòu)件的抗彎強度驗算根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，將地震作用效應和其它荷載效應進行組合，并按承載能力極限狀態(tài)法進行臨界截面的抗彎強度驗算。(4) 延性構(gòu)件的抗剪強度驗算根據(jù)能力設計原理進行： 計算塑性鉸區(qū)截面的名義抗彎強度 （采用約束混凝土的應力-應變關

11、系） 計算橋墩塑性鉸區(qū)截面的超強彎矩 ， 為抗彎超強因子 由塑性鉸區(qū)截面的超強彎矩 ，確定橋墩的設計剪力V 按規(guī)范規(guī)定的抗剪強度公式，對延性橋墩進行抗剪強度驗算(5) 延性構(gòu)件的延性設計鋼筋混凝土延性橋墩的延性設計： 根據(jù)設計預期的結(jié)構(gòu)位移延性水平，通過計算確定塑性鉸區(qū)的橫向約束箍筋用量（通過橫向鋼筋約束混凝土提高延性）。 配筋構(gòu)造設計5.3.4 能力保護構(gòu)件設計(1) 蓋梁設計(2) 支座設計(3) 基礎設計與延性橋墩直接連接的蓋梁，應按橋墩塑性鉸區(qū)截面的超強彎矩計算設計荷載效應，并按設計規(guī)范規(guī)定進行強度驗算。與延性橋墩直接連接的基礎，應按橋墩塑性鉸區(qū)截面的超強彎矩計算設計荷載效應，并按設計

12、規(guī)范規(guī)定進行強度驗算。對于設置在延性橋墩上的彈性支座或固定支座，抗震驗算時支座的設計地震力應根據(jù)橋墩塑性鉸區(qū)截面的超強彎矩進行計算。5.4 鋼筋混凝土墩柱的延性設計為了提高鋼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橫向約束鋼筋來約束混凝土。5.4.1 橫向箍筋對混凝土的約束作用圖5.10 箍筋對核心混凝土的約束作用當混凝土中的應力較低時，混凝土不受約束。當混凝土中的應力接近單軸強度時，內(nèi)部開裂不斷發(fā)展，橫向應變變得很大，于是橫向鋼筋受拉，混凝土就變成受約束的了。橫向箍筋能有效地限制混凝土的橫向膨脹，改善核心混凝土的應力應變關系，并阻止縱向鋼筋屈曲。影響鋼筋混凝土墩柱延性的因素：

13、橋墩截面、縱筋配置、軸壓比、混凝土標號、箍筋含量及配置方案 (a) 圓形箍筋或螺旋筋 (b) 配置交叉拉筋的矩形箍筋 (c)部分重疊的箍筋(e)橫向鋼筋的約束作用 (f)縱向鋼筋的約束作用圖 5.12 橫向鋼筋和縱向鋼筋對核心混凝土的約束作用影響參數(shù)：軸壓比箍筋用量箍筋形狀混凝土強度保護層厚度縱向鋼筋截面形式5.4.2 鋼筋混凝土墩柱的延性指標計算圖5.11 普通約束混凝土的應力應變曲線圖5.14 縱向鋼筋的應力應變曲線混凝土和鋼筋的本構(gòu)關系截面彎矩曲率分析曲率延性系數(shù)位移延性系數(shù)截面彎矩曲率分析：（借助計算機程序進行）一般采用曲率增量法，對每一曲率值，首先通過軸力平衡條件，確定中性軸位置，然后計算相應的彎矩值，直至達到規(guī)定的極限曲率為止。5.4.3 鋼筋混凝土墩柱的構(gòu)造設置(1) 橫向箍筋配置（約束塑性鉸區(qū)混凝土、提供抗剪能力、防止縱向鋼筋壓屈）(2) 塑性鉸區(qū)長度（與等效塑性鉸長度不同）(3) 縱向鋼筋的配筋率(4) 鋼筋的錨固與搭接我國規(guī)范：位于8度及以上地震區(qū)的橋墩，箍筋加密區(qū)段的螺旋箍筋間距