基于性能抗震設(shè)計(jì)理論的城市高架橋抗震性能研究.pdf

1、基于對(duì)現(xiàn)代地震經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的深刻反思，美國學(xué)者于20世紀(jì)90年代初提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論，這是工程抗震發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)的目的是將所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在受到不同水平地震作用下的性能達(dá)到一組預(yù)期的性能目標(biāo)；它使抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)由傳統(tǒng)的以生命安全為單一設(shè)防目標(biāo)轉(zhuǎn)為考慮生命安全與財(cái)產(chǎn)損失兩方面的具體要求，強(qiáng)調(diào)了“個(gè)性”設(shè)計(jì)。高架橋是現(xiàn)代化大城市的立體交通網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，在城市生命線工程中占有越來越

2、重要的地位。本文在對(duì)城市高架橋的抗震設(shè)防水準(zhǔn)、性能水準(zhǔn)和基于性能抗震設(shè)計(jì)理論彈性設(shè)計(jì)等方面的簡(jiǎn)單探討基礎(chǔ)上，以橋墩頂點(diǎn)位移延性系數(shù)為設(shè)計(jì)參數(shù)，建立了一套完整的基于性能抗震設(shè)計(jì)理論的抗震設(shè)計(jì)方法，并著重研究了幾個(gè)相關(guān)的關(guān)鍵性問題。 1．提出了城市高架橋的抗震設(shè)防水準(zhǔn)的建議值和高架橋重要性分類標(biāo)準(zhǔn)，并采納改變?cè)O(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的方法來體現(xiàn)重要性的差別；提出了城市高架橋的5級(jí)性能水準(zhǔn)和4個(gè)性能目標(biāo)，確定采用橋墩頂點(diǎn)的位移延性系數(shù)作為性能指標(biāo)；

3、對(duì)常規(guī)城市高架橋推導(dǎo)了橋墩位移延性系數(shù)、破損指標(biāo)與性能水準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 2．根據(jù)各個(gè)重要性等級(jí)下各級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)下的超越概率，推導(dǎo)了地震影響系數(shù)最大值αmax的具體數(shù)值，并制作成表格，可用于基于性能的結(jié)構(gòu)彈性階段的設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供了更廣泛更靈活的選擇。 3．選取了434條地震波，按《雙層城市高架橋抗震設(shè)計(jì)指南》關(guān)于場(chǎng)地類別和地震動(dòng)特征周期分區(qū)的要求分為12組，對(duì)大量具有不同屈服強(qiáng)度系數(shù)的單自由度體系在進(jìn)行了彈塑性時(shí)程

4、分析，求得了延性需求譜和基于Ay—Dy格式的地震需求譜，并探討了阻尼比對(duì)延性需求譜的影響。研究表明：兩種需求譜與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度水平、自振周期有關(guān)；阻尼比影響系數(shù)與結(jié)構(gòu)的阻尼比、自振周期有關(guān)；以上兩種需求譜和阻尼比影響系數(shù)都受場(chǎng)地類別和地震動(dòng)特征周期分區(qū)等因素的顯著影響。通過非線性回歸分析，建立了考慮場(chǎng)地類別和地震動(dòng)特征周期分區(qū)等因素的兩種需求譜和阻尼比影響系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其成果可供基于《雙層高架橋抗震設(shè)計(jì)指南》和《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的

5、高架橋彈塑性階段設(shè)計(jì)和相關(guān)研究直接使用。特別是Ay-Dy格式的地震需求譜，具有如下性質(zhì)：過原點(diǎn)的射線與屈服強(qiáng)度系數(shù)的需求譜曲線相交，各交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期都相同，這為實(shí)現(xiàn)考慮多級(jí)性能目標(biāo)的基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供了便利。 4．從5個(gè)獨(dú)立橋墩和6個(gè)全橋結(jié)構(gòu)在十幾條地震記錄作用下的彈塑性時(shí)程分析入手，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)Push—over分析采用的水平加載模式進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明：對(duì)于規(guī)則（長細(xì)比大于2．5小于10）獨(dú)立橋墩，采用基于位移的水

6、平加載模式對(duì)橋墩進(jìn)行Push-over分析比基于水平力模式更加合理；橋墩的位移模式由第1模態(tài)振型確定，并可簡(jiǎn)化為橋墩頂部重心處施加一個(gè)位移的方式。對(duì)于全橋結(jié)構(gòu)，通過對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)位移、橋墩頂點(diǎn)位移和橋墩底部剪力等指標(biāo)分布規(guī)律的分析，得到全橋結(jié)構(gòu)Push-over分析的水平加載模式可采納在上部結(jié)構(gòu)（各橋墩對(duì)應(yīng)點(diǎn)處）重心處施加水平位移的方式，全橋結(jié)構(gòu)的位移模式由上部結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型（組合）確定。 5．結(jié)合求得的延性需求譜和Ay-Dy格

7、式的地震需求譜的數(shù)學(xué)表達(dá)式，提出了結(jié)構(gòu)非線性位移反應(yīng)的簡(jiǎn)化求解方法—彈塑性需求譜法。在闡述了彈塑性需求譜法的理論依據(jù)基礎(chǔ)上，提出用該方法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)彈塑性位移的具體步驟：首先借助模態(tài)Push-over分析，將非線性多自由度體系分解為多個(gè)獨(dú)立的非線性單自由度體系及確定有關(guān)參數(shù)；運(yùn)用基于Ay-Dy格式的地震需求譜的特點(diǎn)，確定結(jié)構(gòu)在不同模態(tài)各級(jí)地震作用下的屈服強(qiáng)度系數(shù)；根據(jù)延性需求譜，確定位移延性系數(shù)并得到等效單自由度體系的位移，最后將結(jié)果轉(zhuǎn)

8、化為多自由度體系，并進(jìn)行組合。 6．從Mander等人給出的約束應(yīng)力——應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系出發(fā)，通過一系列的假定，得出了矩形、圓形截面橋墩力學(xué)配箍率ωw、軸壓比ηk和曲率延性系數(shù)ηφ之間的關(guān)系表達(dá)式——橋墩的變形能力公式；將之與25組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，本文公式與試驗(yàn)結(jié)果在平均意義上吻合較好。 7．闡述了城市高架橋基于性能的抗震設(shè)計(jì)的兩個(gè)階段和具體的設(shè)計(jì)步驟：一是彈性設(shè)計(jì)階段，這一階段的設(shè)計(jì)過程為大家所熟悉，主要是采用反應(yīng)譜法