橋梁延性抗震設(shè)計(jì)

橋梁延性抗震設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日7．1延性的基本概念7．2延性對(duì)橋梁抗震的意義7．3延性抗震設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日20世紀(jì)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(lái)概括結(jié)構(gòu)物超過(guò)彈性階段后的抗震能力。他們認(rèn)為在抗震設(shè)計(jì)中，除了強(qiáng)度與剛度之外，還必須重視加強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性。另一方面，人們也從震害中認(rèn)識(shí)到了結(jié)構(gòu)的延性。震害調(diào)查顯示，在強(qiáng)烈的地震動(dòng)作用下，按規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)很多情況下并不具備抵抗強(qiáng)震的足夠強(qiáng)度，但有些結(jié)構(gòu)卻沒(méi)有倒塌，甚至沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重破壞。這些結(jié)構(gòu)能夠在地震中幸存，是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的初始強(qiáng)度能夠基本維持，沒(méi)有因非彈性變形的加劇而過(guò)度下降，也即具有較好的延性。第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日目前，抗震設(shè)計(jì)方法正在從傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論向延性抗震理論過(guò)渡，大多數(shù)多地震國(guó)家的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已采納了延性抗震理論。延性抗震理論不同于強(qiáng)度理論的是，它是通過(guò)結(jié)構(gòu)選定部位的塑性變形(形成塑性鉸)來(lái)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，從而減小地震反應(yīng)。第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日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(qiáng)度沒(méi)有明顯退化情況下的非彈性變形能力。它包括兩個(gè)方面的能力，一是承受較大的非彈性變形，同時(shí)強(qiáng)度沒(méi)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(lái)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(qiáng)度不會(huì)因?yàn)榘l(fā)生非彈性變形而急劇下降。第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日延性指標(biāo)（1）曲率延性系數(shù)（2）位移延性系數(shù)第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日7．2延性對(duì)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(guò)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。如果純粹依靠強(qiáng)度來(lái)抵抗地震作用，無(wú)疑會(huì)造成材料的巨大浪費(fèi)。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。第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日從變形的角度看，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(guò)設(shè)計(jì)，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(shí)，盡管可能嚴(yán)重?fù)p壞，但結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的最低目標(biāo)——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(jì)的基本思想。第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日從能量的觀點(diǎn)看，結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)的基本原理，是將結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件設(shè)計(jì)成具有較好的滯回延性，在預(yù)期的地震動(dòng)作用下，通過(guò)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(jì)上的優(yōu)勢(shì)是以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損壞為代價(jià)的。這也是延性抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)主要缺陷。第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日7．3延性抗震設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)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(dá)到這一目的，就要采用能力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)。這一方法，目前正逐漸為世界各國(guó)的規(guī)范所接受。能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則的基本思想在于:通過(guò)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級(jí)差異，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性的破壞模式。第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日7．3．1能力設(shè)計(jì)方法與常規(guī)的強(qiáng)震設(shè)計(jì)方法相比，能力設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)可以控制的延性設(shè)計(jì)。第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日常規(guī)設(shè)計(jì)方法與能力設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)抗震性能常規(guī)設(shè)計(jì)方法能力設(shè)計(jì)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(jī)預(yù)先選擇局部延性需求難以估計(jì)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(cè)可以預(yù)測(cè)防止結(jié)構(gòu)倒塌破壞概率有限概率意義上的最大限度第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日能力設(shè)計(jì)方法是抗震概念設(shè)計(jì)的一種體現(xiàn)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)人員可對(duì)結(jié)構(gòu)在屈服時(shí)、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(jì)人員的意圖出現(xiàn)的，這是傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法所達(dá)不到的。此外，根據(jù)能力設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)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(shí)也降低了結(jié)構(gòu)對(duì)許多不確定因素的敏感性。第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日能力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行延性設(shè)計(jì)的步驟

1)在概念設(shè)計(jì)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(gè)適當(dāng)?shù)乃苄院哪軝C(jī)制；

3)對(duì)潛在塑性鉸區(qū)域，通過(guò)計(jì)算分析或估算建立截面“彎矩一轉(zhuǎn)角”之間的對(duì)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(qiáng)度；

4)對(duì)選定的塑性耗能構(gòu)件，進(jìn)行抗彎設(shè)計(jì)；

5)估算塑性鉸區(qū)截面在發(fā)生設(shè)計(jì)預(yù)期的最大延性范圍內(nèi)的變形時(shí)，其可能達(dá)到的最大抗彎強(qiáng)度；

6)按塑性鉸區(qū)截面的彎曲超強(qiáng)強(qiáng)度，進(jìn)行塑性耗能構(gòu)件的抗剪設(shè)計(jì)以及能力保護(hù)構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)；7)對(duì)塑性鉸區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的構(gòu)造設(shè)計(jì)，以確保潛在塑性鉸區(qū)截面的延性能力。8）對(duì)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(qiáng)度安全等級(jí)高于包含塑性鉸的構(gòu)件第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日7.3.2潛在塑性鉸位置的選擇第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日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(jì)成延性構(gòu)件。第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日7．4鋼筋混凝土橋墩的延性設(shè)計(jì)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(qiáng)度：強(qiáng)度越高，延性越低（5）保護(hù)層厚度：厚度增大，對(duì)延性不利。（6）縱向受拉鋼筋：縱向受拉鋼筋的增加，總體上對(duì)延性有不利的影響。（7）截面形式：空心截面比實(shí)心截面延性好；圓形截面的延性比矩形截面的好。第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日延性橋梁的抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)1延性橋墩中縱向鋼筋的考慮第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日延性橋梁的抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)1延性橋墩中縱向鋼筋的考慮縱向鋼筋對(duì)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(guò)高還會(huì)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(guó)橋梁結(jié)構(gòu)的具體情況，08細(xì)則建議墩柱縱向鋼筋的配筋率范圍0.006-0.04。第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日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(gè)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(guó)規(guī)范對(duì)延性橋墩中橫向箍筋的有關(guān)規(guī)定也是最多的。第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日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(guò)20cm；歐洲規(guī)范規(guī)定縱筋之間的最大間距不得超過(guò)核心混凝土最小尺寸的1／3或35cm，但可以超過(guò)20cm；新西蘭規(guī)范規(guī)定，對(duì)矩形及圓形截面延件橋墩，縱筋之間的最大間距不得超過(guò)截面直徑的1／4，也不得超過(guò)20cm。第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日3延性橋墩塑性鉸區(qū)長(zhǎng)度的規(guī)定橋墩塑性鉸區(qū)長(zhǎng)度用于確定實(shí)際施工中延性橋墩箍筋加密段的長(zhǎng)度等效塑性鉸長(zhǎng)度則只是理論上的一個(gè)概念。各國(guó)現(xiàn)行規(guī)范都對(duì)延性橋墩的塑性鉸區(qū)長(zhǎng)度作了明確的規(guī)定。第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日4延性橋墩中鋼筋的錨固與搭接因鋼筋錨固與搭接細(xì)部設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的橋梁震害，在多次破壞性地震中都時(shí)有發(fā)現(xiàn)。由于延性橋墩預(yù)期在大震作用下，即使保護(hù)層混凝土脫落，抗力也沒(méi)有明顯的下降。因此，從保證橋墩的延性能力方面看，對(duì)塑性鉸區(qū)截面內(nèi)鋼筋的錨固和搭接細(xì)節(jié)都必須加以仔細(xì)的考慮。各國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)這方面也都作了明確的規(guī)定。第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日7.5B類、C類橋梁墩柱的變形驗(yàn)算1.在E2地震作用下，一般情況應(yīng)驗(yàn)算潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，但對(duì)于規(guī)則橋梁，可驗(yàn)算橋墩墩頂?shù)奈灰?對(duì)于高寬比小于2.5的矮墩，可不驗(yàn)算橋墩的變形，但應(yīng)驗(yàn)算強(qiáng)度。2在E2地震作用下，應(yīng)按下式驗(yàn)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(dòng)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。第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日7.6能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)能力保護(hù)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(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)常規(guī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)于采用抗側(cè)力橋墩作為主要延性構(gòu)件的混凝土橋梁，