桥梁延性抗震设计

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第7章桥梁延性抗震设计 7．1延性的基本概念7．2延性对桥梁抗震的意义7．3延性抗震设计方法简介 20世纪60年代，以纽马克(Newmark)为首的学者基于结构的非线性地震反应研究，提出用“延性”的概念来概括结构物超过弹性阶段后的抗震能力。他们认为在抗震设计中，除了强度与刚度之外，还必须重视加强结构延性。另一方面，人们也从震害中认识到了结构的延性。震害调查显示，在强烈的地震动作用下，按规范进行抗震设计的结构很多情况下并不具备抵抗强震的足够强度，但有些结构却没有倒塌，甚至没有发生严重破坏。这些结构能够在地震中幸存，是因为结构的初始强度能够基本维持，没有因非弹性变形的加剧而过度下降，也即具有较好的延性。 目前，抗震设计方法正在从传统的强度理论向延性抗震理论过渡，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。延性抗震理论不同于强度理论的是，它是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。利用选定部位的塑性变形，不仅能消耗地震能量，还能延长结构周期，从而减小地震反应。 7．1延性的基本概念7．1．1延性的定义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。它包括两个方面的能力，一是承受较大的非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力；二是利用滞回特性吸收能量的能力。从延性的本质来看，它反映了一种非弹性变形的能力，即结构从屈服到破坏的后期变形能力，这种能力能保证强度不会因为发生非弹性变形而急剧下降。 7.1.2延性指标（1）曲率延性系数（2）位移延性系数 7．2延性对桥梁抗震的意义地震之所以造成结构损坏甚至倒塌，在于它激起的地震惯性力超过了结构的强度。如果纯粹依靠强度来抵抗地震作用，无疑会造成材料的巨大浪费。因此，在工程抗震中，一般都希望利用结构和构件的延性抗震，即利用塑性铰减小地震力，并耗散能量。 从变形的角度看，地震造成结构损坏的原因，在于它激起的变形超出了结构的弹性极限变形；同样，地震造成结构倒塌的原因，在于它激起的反复的弹塑性变形，超出了结构的滞回延性。因此，如果通过设计，使结构具有能够适应大震弹塑性变形的滞回延性，则结构在遭遇大地震时，尽管可能严重损坏，但结构抗震设防的最低目标——免于倒塌破坏，却始终能得到保证。这种思想即为延性抗震设计的基本思想。 从能量的观点看，结构延性抗震设计的基本原理，是将结构部分构件设计成具有较好的滞回延性，在预期的地震动作用下，通过延性构件发生的反复弹塑性变形循环耗散掉大量的地震输入能量，从而保证结构的抗震安全。必须指出的是，延性抗震在经济上的优势是以结构出现一定程度的损坏为代价的。这也是延性抗震设计的一个主要缺陷。 7．3延性抗震设计方法简介要保证延性结构在大震下以延性的形式反应，能够充分发挥延性构件的延性能力，就必须确保不发生脆性的破坏模式(如剪切破坏)，以及防止脆性构件和不希望发生非弹性变形的构件发生破坏。要达到这一目的，就要采用能力设计方法进行延性抗震设计。这一方法，目前正逐渐为世界各国的规范所接受。能力保护设计原则的基本思想在于:通过设计，使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性的破坏模式。 7．3．1能力设计方法与常规的强震设计方法相比，能力设计方法强调可以控制的延性设计。 常规设计方法与能力设计方法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不明确预定的构件部位塑性铰的布局随机预先选择局部延性需求难以估计与整体延性需求直接联系结构整体抗震性能难以预测可以预测防止结构倒塌破坏概率有限概率意义上的最大限度 能力设计方法是抗震概念设计的一种体现，它的主要优点是设计人员可对结构在屈服时、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人员的意图出现的，这是传统抗震设计方法所达不到的。此外，根据能力设计方法设计的结构具有很好的韧性，能最大限度地避免结构倒塌，同时也降低了结构对许多不确定因素的敏感性。 能力设计方法进行延性设计的步骤1)在概念设计阶段，选择合理的结构布局；2)确定地震中预期出现的弯曲塑性铰的合理位置，并保证结构能形成一个适当的塑性耗能机制；3)对潜在塑性铰区域，通过计算分析或估算建立截面“弯矩一转角”之间的对应关系；然后利用这些关系确定结构的位移延性和塑性铰区截面的预期抗弯强度；4)对选定的塑性耗能构件，进行抗弯设计；5)估算塑性铰区截面在发生设计预期的最大延性范围内的变形时，其可能达到的最大抗弯强度；6)按塑性铰区截面的弯曲超强强度，进行塑性耗能构件的抗剪设计以及能力保护构件的强度设计；7)对塑性铰区域进行细致的构造设计，以确保潜在塑性铰区截面的延性能力。8）对于脆性构件或不希望出现塑性变形的构件，确保其强度安全等级高于包含塑性铰的构件 7.3.2潜在塑性铰位置的选择 7.3.2潜在塑性铰位置的选择桥梁预期出现塑性铰的位置通常在便于发现和易于修复的墩柱的下端或上端，把钢筋混凝土桥墩设计成延性构件。 7．4钢筋混凝土桥墩的延性设计1.钢筋混凝土桥墩的延性性能（1）轴压比：轴压比提高，延性下降（2）箍筋用量：适当加密箍筋配置，可以大幅度提高延性。（3）箍筋形状：螺旋箍比矩形箍有更好的约束效果。（4）混凝土强度：强度越高，延性越低（5）保护层厚度：厚度增大，对延性不利。（6）纵向受拉钢筋：纵向受拉钢筋的增加，总体上对延性有不利的影响。（7）截面形式：空心截面比实心截面延性好；圆形截面的延性比矩形截面的好。 7.4.2延性桥梁的抗震构造设计1延性桥墩中纵向钢筋的考虑 7.4.2延性桥梁的抗震构造设计1延性桥墩中纵向钢筋的考虑纵向钢筋对约束混凝土墩柱的延性有较大影响，因此，延性墩柱中纵向钢筋含量不应太低。但纵向钢筋的含量太高，不利施工，另外，纵向钢筋含量过高还会影响墩柱的延性，所以纵向钢筋的含量应有一上限。根据我国桥梁结构的具体情况，08细则建议墩柱纵向钢筋的配筋率范围0.006-0.04。 2延性桥墩中横向钢筋的考虑横向箍筋有延性桥墩中起到三个方面的作用：—、用于约束塑性铰区混凝土；二、提供抗剪能力；三、防止纵向钢筋压屈。因此，各国规范对延性桥墩中横向箍筋的有关规定也是最多的。 为了能提供更好的约束效果，Caltrans规范还规定纵筋之间的最大间距不得超过20cm；欧洲规范规定纵筋之间的最大间距不得超过核心混凝土最小尺寸的1／3或35cm，但可以超过20cm；新西兰规范规定，对矩形及圆形截面延件桥墩，纵筋之间的最大间距不得超过截面直径的1／4，也不得超过20cm。 3延性桥墩塑性铰区长度的规定桥墩塑性铰区长度用于确定实际施工中延性桥墩箍筋加密段的长度等效塑性铰长度则只是理论上的一个概念。各国现行规范都对延性桥墩的塑性铰区长度作了明确的规定。 4延性桥墩中钢筋的锚固与搭接因钢筋锚固与搭接细部设计不当引起的桥梁震害，在多次破坏性地震中都时有发现。由于延性桥墩预期在大震作用下，即使保护层混凝土脱落，抗力也没有明显的下降。因此，从保证桥墩的延性能力方面看，对塑性铰区截面内钢筋的锚固和搭接细节都必须加以仔细的考虑。各国现行规范对这方面也都作了明确的规定。 7.5B类、C类桥梁墩柱的变形验算1.在E2地震作用下，一般情况应验算潜在塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的塑性转动能力，但对于规则桥梁，可验算桥墩墩顶的位移;对于高宽比小于2.5的矮墩，可不验算桥墩的变形，但应验算强度。2在E2地震作用下，应按下式验算桥墩潜在塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的塑性转动能力:θp一一在E2地震作用下，潜在塑性铰区域的塑性转角;θu--塑性铰区域的最大容许转角。 7.6能力保护构件设计能力保护构件在任何地址作用下始终处于弹性反应范围。因此，能力保护构件的设计过程，实际上是一个常规的强度设计过程。对于采用抗侧力桥墩作为主要延性构件的混凝土桥梁，能力保护构件通常包括上部结构中的盖梁、支座和伸缩缝以及下部结构中的桥台与基础。 2.支座设计对弹性支座和固定支座，应进行罕遇地震下支座厚度和抗滑稳定性验算。 3.伸缩缝设计 4.基础设计