第7章_桥梁延性抗震设计.ppt

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 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