基于性能抗震设计同济大学.pptx

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1、基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想规则桥梁结构基于性能设计规则桥梁结构基于性能设计地震作用下结构的易损性研究地震作用下结构的易损性研究复杂桥梁结构基于性能设计需解决的几个问复杂桥梁结构基于性能设计需解决的几个问题题主要内容主要内容第1页/共80页基于性能抗震设计思想基于性能抗震设计思想 基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想，主要基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想，主要指结构在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性指结构在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性能达到一组预期的性能目标。能达到一组预期的性能目标。第2页/共80页第3页/共80页设计地震水准与抗震性能等级的关

2、系地震设防水准等级1 等级2 等级3 等级4基本目标不可接受性能提高目标1提高目标2抗震性能目标水准I水准II水准III水准IV第4页/共80页保证结构工作在弹性范围内保证结构工作在弹性范围内保证结构上、下部整体工作状态，保证结构上、下部整体工作状态，震后可立即修复震后可立即修复结构总体变形（延性）结构总体变形（延性）主要构件危险截面的极限状态保证主要构件危险截面的极限状态保证（包括能力设计）（包括能力设计）无损伤无损伤有限损伤有限损伤严重损伤而不倒塌严重损伤而不倒塌 针对不同概率水平地震设防水准、不同的结构部件，研究相应针对不同概率水平地震设防水准、不同的结构部件，研究相应的抗震性能指标和地

3、震损伤、破坏风险的抗震性能指标和地震损伤、破坏风险 第5页/共80页基于性能的抗震设计内容主要包括：基于性能的抗震设计内容主要包括：1.1.科学的定义和确定地震危险性（科学的定义和确定地震危险性（seismic hazardseismic hazard）；2.2.结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平 （Performance LevelsPerformance Levels）、性能指标；）、性能指标；3.3.设计方法。在设计初始就明确结构的性能目标，并且使设计方法。在设计初始就明确结构的性能目标，并且使通过设计，使结构在设计地震作用的反应能够达到

4、预先通过设计，使结构在设计地震作用的反应能够达到预先确定的性能目标确定的性能目标 由于性能设计包含的内容很广，特别是在对地震动、结构由于性能设计包含的内容很广，特别是在对地震动、结构的损伤状态及性能指标，目前的研究水平还很难达到对复杂结的损伤状态及性能指标，目前的研究水平还很难达到对复杂结构物进行完全的性能设计。构物进行完全的性能设计。第6页/共80页基于性能的基于性能的抗震设计抗震设计地震设防水准地震设防水准结构性能目标的确定结构性能目标的确定结构地震反应的预测结构地震反应的预测设计方法设计方法实现能力、需求的平衡实现能力、需求的平衡地震需求地震需求抗震能力抗震能力地震输入地震输入第7页/共

5、80页第8页/共80页水平力位移DL桥梁结构单墩模型D单质点单自由度体系单质点单自由度体系多质点，基础振型起主要贡献，等效为单自由度体系多质点，基础振型起主要贡献，等效为单自由度体系多自点，高阶振型贡献不能忽略，多自由体系多自点，高阶振型贡献不能忽略，多自由体系规则桥梁结构基于性能设计第9页/共80页目前在单自由度体系方面研究得较多，并取得了大量成果！目前在单自由度体系方面研究得较多，并取得了大量成果！多自由体系？多自由体系？第10页/共80页第1振型第2振型第3振型桥墩的水平挠曲固有振型第11页/共80页单柱墩相应于各级性能水平的目标位移的确定相应于各级性能水平的目标位移的确定第12页/共8

6、0页ACTACT3232对桥梁抗震性能水平的建议对桥梁抗震性能水平的建议第13页/共80页性能指标Caltrans建议Kowalsky和Priestly建议第14页/共80页较复杂构件：非线性静力分析（推倒分析较复杂构件：非线性静力分析（推倒分析第15页/共80页能力谱方法第16页/共80页输人初始条件输人初始条件 质量质量M，墩高墩高L给定目标位移给定目标位移u屈服位移屈服位移y计算位移延性系数计算位移延性系数=u u/y y计算等效阻尼比计算等效阻尼比eqeq利用位移反应谱计算有效周期利用位移反应谱计算有效周期T Teffeff计算有效刚度计算有效刚度K Keffeff确定极限水平力确定极

7、限水平力H Hu u 和弯矩和弯矩MMu u根据弯矩根据弯矩MMu u确定截面尺寸和纵向配筋确定截面尺寸和纵向配筋设计横向钢筋0%5%10%20%位移周期力位移MLH第17页/共80页位移需求（结构地震位移反应）位移需求（结构地震位移反应）位位移移需需求求直接利用弹性位移反应谱计算直接利用弹性位移反应谱计算利用修正弹性反应谱或非线性反应谱计算利用修正弹性反应谱或非线性反应谱计算能力谱方法能力谱方法非线性地震时程分析方法非线性地震时程分析方法等效线性法方法等效线性法方法第18页/共80页 经过十多年的研究，取得了值得注意的成果，在结构需求与经过十多年的研究，取得了值得注意的成果，在结构需求与结构

8、性能指标之间建立了关系，取得了基于性能设计重要的一结构性能指标之间建立了关系，取得了基于性能设计重要的一步，被称为第一代的基于性能地震工程。美国应用技术委员会步，被称为第一代的基于性能地震工程。美国应用技术委员会ACT-40ACT-40，ACT-32ACT-32，美国加洲结构工程师协会，美国加洲结构工程师协会（SEAOCSEAOC）Vision2000Vision2000 都出版了相应技术文件。都出版了相应技术文件。但第一代的基于性能设计在取得成果的同时，还存在许多但第一代的基于性能设计在取得成果的同时，还存在许多 不足：针对的模型过于简单，得到的结构需求与结构性能不足：针对的模型过于简单，得

9、到的结构需求与结构性能 指标之间关系主要是针对单自由度体系，性能指标研究对指标之间关系主要是针对单自由度体系，性能指标研究对 象主要是单墩构件。象主要是单墩构件。研究方法主要是非线性静力法和线性动力方法（等效线性研究方法主要是非线性静力法和线性动力方法（等效线性 化）化）对桥梁结构系统性能、性能目标研究得非常少。对桥梁结构系统性能、性能目标研究得非常少。第19页/共80页地震作用下桥梁结构易损性研究地震作用下桥梁结构易损性研究 目前对结构的易损性研究主要是通过对结构在不同水平目前对结构的易损性研究主要是通过对结构在不同水平地震动作用下损伤程度来得到概率意义上的易损性曲线。地震动作用下损伤程度来

10、得到概率意义上的易损性曲线。易损性曲线可以是通过震害调查得到，也可以是通过理论易损性曲线可以是通过震害调查得到，也可以是通过理论计算得到，这里主要介绍理论方法。计算得到，这里主要介绍理论方法。由于结构地震响应从地面运动到结构性能两方面固有由于结构地震响应从地面运动到结构性能两方面固有的随机性和不确定性，采用的随机性和不确定性，采用IDAIDA（Incremental dynamic Incremental dynamic analysisanalysis）方法结合概率方法对桥梁结构系统进行易损性）方法结合概率方法对桥梁结构系统进行易损性研究，从而为桥梁结构基于性能的设计和评估提供基础，研究，从

11、而为桥梁结构基于性能的设计和评估提供基础，已成为研究热点。已成为研究热点。第20页/共80页增量动力分析（增量动力分析（IDAIDA）是近年发展起来的一种动力参数分析方法，其）是近年发展起来的一种动力参数分析方法，其主要过程为：主要过程为：将地震波的加速度分别乘以一系列加速度调整系数将地震波的加速度分别乘以一系列加速度调整系数,使之成为一组使之成为一组不同强度的地震波，分别进行非线性动力时程分析，不同强度的地震波，分别进行非线性动力时程分析，通过绘制所研究结构性能（通过绘制所研究结构性能（Damage Measure）参数与地震强度参数与地震强度（intensity measure）的的IDA

12、IDA曲线，来研究结构在地震荷载作用下的曲线，来研究结构在地震荷载作用下的整个损伤、破坏的全过程。整个损伤、破坏的全过程。可以通过结构在多条地震波下的可以通过结构在多条地震波下的IDAIDA，将，将“线线”分析拓展为分析拓展为“面面”分析，分析，第21页/共80页A fragility curve describes the probability of reaching or A fragility curve describes the probability of reaching or exceeding a damage state as a function of a chosen

13、 ground exceeding a damage state as a function of a chosen ground motion intensity parameter(typically peak ground or motion intensity parameter(typically peak ground or spectral acceleration).spectral acceleration).不同地震水平地震作用下的需求不同地震水平地震作用下的需求性能指标要求性能指标要求第22页/共80页第23页/共80页0.600.800.950.40Median PGA

14、(g)Median PGA(g)Log-S.DLog-S.DMinorMinor0.400.400.80.8ModerateModerate0.600.60MajorMajor0.800.80CollapseCollapse0.950.95Fragility Curves第24页/共80页Fragility Curves for Caltrans Bridges0.50.5第25页/共80页Fragilitycurves for the various components of the MSSS-SG bridge for:(a)slight damage,(b)moderate damag

15、e,(c)extensive damage,and(d)complete damage.第26页/共80页复杂桥梁结构基于性能设计需解决的几个问题阪神地震中西宫港大桥第一跨引桥脱落相邻跨上部结构的碰撞震害第27页/共80页圣费南多地震中立交桥梁跨坠毁（金州5号高速干道与14号高速公路）第28页/共80页美国洛马普里埃塔地震中CypressCypress高架桥上层框架塌落第29页/共80页简支梁梁端抗震挡块连续梁梁端抗震挡块第30页/共80页Jacques COMBAULT大跨度桥梁第31页/共80页第32页/共80页第33页/共80页第34页/共80页DESIGN SPECTRUMDampin

16、g 5%Jacques COMBAULT第35页/共80页TECTONIC MOVEMENTSPLAN ELEVATION PIER BASEJacques COMBAULT第36页/共80页TECTONIC MOVEMENTSPLAN HORIZONTAL OPENING:2 mELEVATION VERTICAL SLIP:2 mPIER BASEJacques COMBAULT第37页/共80页第38页/共80页第39页/共80页第40页/共80页Foundation ConceptJacques COMBAULT第41页/共80页主要展开的研究主要展开的研究第42页/共80页(1)(1

17、)基于性能的大型桥梁抗震理论基于性能的大型桥梁抗震理论 (2)(2)大型桥梁高桩承台结构的地震反应机理、桩土大型桥梁高桩承台结构的地震反应机理、桩土 结构的共同作用；结构的共同作用；（3 3）非规则山区高墩桥梁的地震反应规律、高阶振型效）非规则山区高墩桥梁的地震反应规律、高阶振型效 应应；（4 4）地震作用下碰撞效应及防落梁措施地震作用下碰撞效应及防落梁措施 （5 5）近场强震、超长周期分量和非一致地面运动对大跨近场强震、超长周期分量和非一致地面运动对大跨 度桥梁的地震反应的机理和规律度桥梁的地震反应的机理和规律 （6 6）桥梁结构地震易损性与结构动力概念设计）桥梁结构地震易损性与结构动力概念

18、设计 （7 7）新型减、隔震装置）新型减、隔震装置 第43页/共80页非规则高墩桥梁非规则高墩桥梁非规则高墩桥梁非规则高墩桥梁第44页/共80页第45页/共80页M Pushover analysisExperimental and theoretical method are all static methods.Idealized curvature distributions corresponding to Idealized curvature distributions corresponding to yield and ultimate flexural failureyiel

19、d and ultimate flexural failure第46页/共80页 a)墩底曲率IDA曲线 b)墩顶位移IDA曲线 60m墩底曲率和墩顶位移的IDA曲线增量动力分析 第47页/共80页（a）加速度调整系数=1.7时墩身曲率曲线 （b）加速度调整系数=1.7时墩身变形曲线 60m墩的墩身曲率、变形分布曲线图第48页/共80页墩墩墩墩高高高高(m)(m)增量动力分析增量动力分析增量动力分析增量动力分析静力推倒分析静力推倒分析静力推倒分析静力推倒分析多自由度模型多自由度模型多自由度模型多自由度模型单自由度模型单自由度模型单自由度模型单自由度模型屈服位移屈服位移屈服位移屈服位移u uy

20、y(m)(m)极限位移极限位移极限位移极限位移u umm(m)(m)延性系数延性系数延性系数延性系数 mm屈服位移屈服位移屈服位移屈服位移u uy y(m)(m)极限位移极限位移极限位移极限位移u umm(m)(m)延性系数延性系数延性系数延性系数 mm屈服位移屈服位移屈服位移屈服位移u uy y(m)(m)极限位移极限位移极限位移极限位移u umm(m)(m)延性系数延性系数延性系数延性系数 mm30300.1410.1410.430.433.053.050.1820.1820.5780.5783.183.180.1760.1760.5260.5262.992.9960600.26180.2

21、6180.65950.65952.522.520.540.541.651.653.053.050.500.500.1580.1583.163.16第49页/共80页elcentroelcentroLoma-p1Loma-p1Nridge1Nridge1Oakwh1Oakwh1Sanfern1Sanfern1屈服位移屈服位移屈服位移屈服位移（mm）2.6168e-12.6168e-13.5126e-13.5126e-12.6483e-12.6483e-13.3561e-13.3561e-14.0676e-14.0676e-1极限位移极限位移极限位移极限位移（mm）6.5948e-16.5948e

22、-16.7501e-16.7501e-15.4087e-15.4087e-16.755e-16.755e-17.2308e-17.2308e-1最大位移延性系数最大位移延性系数最大位移延性系数最大位移延性系数2.522.521.921.922.042.042.012.011.771.77第50页/共80页第1振型第2振型第3振型桥墩的水平挠曲固有振型第51页/共80页Pseudo-dynamic test of urban viaducts with double deck2.Seismic research2.Seismic research第52页/共80页Pseudo-static te

23、st of a tall pier 2.Seismic research2.Seismic research第53页/共80页第54页/共80页第55页/共80页Rotating faceSliding faceDouble curve SphereDouble curve sphere isolating bearing桥梁减隔振技术桥梁减隔振技术第56页/共80页第57页/共80页第58页/共80页第59页/共80页第60页/共80页Lead rubber bearing2.Seismic research2.Seismic research第61页/共80页非规则桥梁地震作用下的碰撞效应

24、与防落梁措非规则桥梁地震作用下的碰撞效应与防落梁措非规则桥梁地震作用下的碰撞效应与防落梁措非规则桥梁地震作用下的碰撞效应与防落梁措第62页/共80页第63页/共80页第64页/共80页系统1系统2多联连续梁桥伸缩缝考虑支座非线性与墩柱弹塑性的碰撞模型第65页/共80页实验室建设实验室建设第66页/共80页 20,000 kN Static/axial load 2,000 kN dynamic lateral load Double amplitude displacement:1,000 mm,(single amplitude:+/-500 mm).Dynamic,static and f

25、atigue applications.Frequency range 0.05Hz Pseudodynamic Testing Work space plan area 2.52.0m vertical space 3.0m第67页/共80页第68页/共80页第69页/共80页第70页/共80页若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式 第71页/共80页四个台合成大型矩形台组工作模式四个台合成大型矩形台组工作模式四个台合成大型矩形台组工作模式四个台合成大型矩形台组工作模式 第72页

26、/共80页曲桥、斜桥抗震试验曲桥、斜桥抗震试验曲桥、斜桥抗震试验曲桥、斜桥抗震试验第73页/共80页两个主台组成为一大型振动台，作为单台振动台使用两个主台组成为一大型振动台，作为单台振动台使用两个主台组成为一大型振动台，作为单台振动台使用两个主台组成为一大型振动台，作为单台振动台使用第74页/共80页各单台单独使用各单台单独使用各单台单独使用各单台单独使用 第75页/共80页若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式若干台合成一大型线型振动台台组工作模式 第76页/共80页第77页/共80页第78页/共80页谢 谢！第79页/共80页感谢您的观看。第80页/共80页