橋梁延性抗震設(shè)計

《橋梁延性抗震設(shè)計》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

第7章橋梁延性抗震設(shè)計 7．1延性的基本概念7．2延性對橋梁抗震的意義7．3延性抗震設(shè)計方法簡介 20世紀60年代，以紐馬克(Newmark)為首的學(xué)者基于結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)研究，提出用“延性”的概念來概括結(jié)構(gòu)物超過彈性階段后的抗震能力。他們認為在抗震設(shè)計中，除了強度與剛度之外，還必須重視加強結(jié)構(gòu)延性。另一方面，人們也從震害中認識到了結(jié)構(gòu)的延性。震害調(diào)查顯示，在強烈的地震動作用下，按規(guī)范進行抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)很多情況下并不具備抵抗強震的足夠強度，但有些結(jié)構(gòu)卻沒有倒塌，甚至沒有發(fā)生嚴重破壞。這些結(jié)構(gòu)能夠在地震中幸存，是因為結(jié)構(gòu)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，也即具有較好的延性。 目前，抗震設(shè)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(shù)多地震國家的橋梁抗震設(shè)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(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。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(jié)構(gòu)周期，從而減小地震反應(yīng)。 7．1延性的基本概念7．1．1延性的定義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。從延性的本質(zhì)來看，它反映了一種非彈性變形的能力，即結(jié)構(gòu)從屈服到破壞的后期變形能力，這種能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（1）曲率延性系數(shù)（2）位移延性系數(shù) 7．2延性對橋梁抗震的意義地震之所以造成結(jié)構(gòu)損壞甚至倒塌，在于它激起的地震慣性力超過了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性抗震，即利用塑性鉸減小地震力，并耗散能量。 從變形的角度看，地震造成結(jié)構(gòu)損壞的原因，在于它激起的變形超出了結(jié)構(gòu)的彈性極限變形；同樣，地震造成結(jié)構(gòu)倒塌的原因，在于它激起的反復(fù)的彈塑性變形，超出了結(jié)構(gòu)的滯回延性。因此，如果通過設(shè)計，使結(jié)構(gòu)具有能夠適應(yīng)大震彈塑性變形的滯回延性，則結(jié)構(gòu)在遭遇大地震時，盡管可能嚴重損壞，但結(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(shè)計的基本思想。 從能量的觀點看，結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計的基本原理，是將結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件設(shè)計成具有較好的滯回延性，在預(yù)期的地震動作用下，通過延性構(gòu)件發(fā)生的反復(fù)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(jié)構(gòu)的抗震安全。必須指出的是，延性抗震在經(jīng)濟上的優(yōu)勢是以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損壞為代價的。這也是延性抗震設(shè)計的一個主要缺陷。 7．3延性抗震設(shè)計方法簡介要保證延性結(jié)構(gòu)在大震下以延性的形式反應(yīng)，能夠充分發(fā)揮延性構(gòu)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(gòu)件和不希望發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件發(fā)生破壞。要達到這一目的，就要采用能力設(shè)計方法進行延性抗震設(shè)計。這一方法，目前正逐漸為世界各國的規(guī)范所接受。能力保護設(shè)計原則的基本思想在于:通過設(shè)計，使結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護構(gòu)件形成強度等級差異，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性的破壞模式。 7．3．1能力設(shè)計方法與常規(guī)的強震設(shè)計方法相比，能力設(shè)計方法強調(diào)可以控制的延性設(shè)計。 常規(guī)設(shè)計方法與能力設(shè)計方法結(jié)構(gòu)抗震性能常規(guī)設(shè)計方法能力設(shè)計方法塑性鉸出現(xiàn)位置不明確預(yù)定的構(gòu)件部位塑性鉸的布局隨機預(yù)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(jié)構(gòu)整體抗震性能難以預(yù)測可以預(yù)測防止結(jié)構(gòu)倒塌破壞概率有限概率意義上的最大限度 能力設(shè)計方法是抗震概念設(shè)計的一種體現(xiàn)，它的主要優(yōu)點是設(shè)計人員可對結(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(shè)計人員的意圖出現(xiàn)的，這是傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法所達不到的。此外，根據(jù)能力設(shè)計方法設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有很好的韌性，能最大限度地避免結(jié)構(gòu)倒塌，同時也降低了結(jié)構(gòu)對許多不確定因素的敏感性。 能力設(shè)計方法進行延性設(shè)計的步驟1)在概念設(shè)計階段，選擇合理的結(jié)構(gòu)布局；2)確定地震中預(yù)期出現(xiàn)的彎曲塑性鉸的合理位置，并保證結(jié)構(gòu)能形成一個適當(dāng)?shù)乃苄院哪軝C制；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(zhuǎn)角”之間的對應(yīng)關(guān)系；然后利用這些關(guān)系確定結(jié)構(gòu)的位移延性和塑性鉸區(qū)截面的預(yù)期抗彎強度；4)對選定的塑性耗能構(gòu)件，進行抗彎設(shè)計；5)估算塑性鉸區(qū)截面在發(fā)生設(shè)計預(yù)期的最大延性范圍內(nèi)的變形時，其可能達到的最大抗彎強度；6)按塑性鉸區(qū)截面的彎曲超強強度，進行塑性耗能構(gòu)件的抗剪設(shè)計以及能力保護構(gòu)件的強度設(shè)計；7)對塑性鉸區(qū)域進行細致的構(gòu)造設(shè)計，以確保潛在塑性鉸區(qū)截面的延性能力。8）對于脆性構(gòu)件或不希望出現(xiàn)塑性變形的構(gòu)件，確保其強度安全等級高于包含塑性鉸的構(gòu)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橋梁預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的位置通常在便于發(fā)現(xiàn)和易于修復(fù)的墩柱的下端或上端，把鋼筋混凝土橋墩設(shè)計成延性構(gòu)件。 7．4鋼筋混凝土橋墩的延性設(shè)計1.鋼筋混凝土橋墩的延性性能（1）軸壓比：軸壓比提高，延性下降（2）箍筋用量：適當(dāng)加密箍筋配置，可以大幅度提高延性。（3）箍筋形狀：螺旋箍比矩形箍有更好的約束效果。（4）混凝土強度：強度越高，延性越低（5）保護層厚度：厚度增大，對延性不利。（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。（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(gòu)造設(shè)計1延性橋墩中縱向鋼筋的考慮 7.4.2延性橋梁的抗震構(gòu)造設(shè)計1延性橋墩中縱向鋼筋的考慮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(yīng)太低。但縱向鋼筋的含量太高，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(yīng)有一上限。根據(jù)我國橋梁結(jié)構(gòu)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(guān)規(guī)定也是最多的。 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1／3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件橋墩，縱筋之間的最大間距不得超過截面直徑的1／4，也不得超過20cm。 3延性橋墩塑性鉸區(qū)長度的規(guī)定橋墩塑性鉸區(qū)長度用于確定實際施工中延性橋墩箍筋加密段的長度等效塑性鉸長度則只是理論上的一個概念。各國現(xiàn)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因鋼筋錨固與搭接細部設(shè)計不當(dāng)引起的橋梁震害，在多次破壞性地震中都時有發(fā)現(xiàn)。由于延性橋墩預(yù)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(nèi)鋼筋的錨固和搭接細節(jié)都必須加以仔細的考慮。各國現(xiàn)行規(guī)范對這方面也都作了明確的規(guī)定。 7.5B類、C類橋梁墩柱的變形驗算1.在E2地震作用下，一般情況應(yīng)驗算潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力，但對于規(guī)則橋梁，可驗算橋墩墩頂?shù)奈灰?對于高寬比小于2.5的矮墩，可不驗算橋墩的變形，但應(yīng)驗算強度。2在E2地震作用下，應(yīng)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(zhuǎn)動能力:θp一一在E2地震作用下，潛在塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)角;θu--塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角。 7.6能力保護構(gòu)件設(shè)計能力保護構(gòu)件在任何地址作用下始終處于彈性反應(yīng)范圍。因此，能力保護構(gòu)件的設(shè)計過程，實際上是一個常規(guī)的強度設(shè)計過程。對于采用抗側(cè)力橋墩作為主要延性構(gòu)件的混凝土橋梁，能力保護構(gòu)件通常包括上部結(jié)構(gòu)中的蓋梁、支座和伸縮縫以及下部結(jié)構(gòu)中的橋臺與基礎(chǔ)。 2.支座設(shè)計對彈性支座和固定支座，應(yīng)進行罕遇地震下支座厚度和抗滑穩(wěn)定性驗算。 3.伸縮縫設(shè)計 4.基礎(chǔ)設(shè)計