1、基于性能抗震設(shè)計(jì)思想基于性能抗震設(shè)計(jì)思想規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)地震作用下結(jié)構(gòu)的易損性研究地震作用下結(jié)構(gòu)的易損性研究復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問題題第1頁/共80頁基于性能抗震設(shè)計(jì)思想基于性能抗震設(shè)計(jì)思想 基于性能的抗震設(shè)計(jì)實(shí)際上是一總體設(shè)計(jì)思想，主要基于性能的抗震設(shè)計(jì)實(shí)際上是一總體設(shè)計(jì)思想，主要指結(jié)構(gòu)在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性指結(jié)構(gòu)在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性能達(dá)到一組預(yù)期的性能目標(biāo)。能達(dá)到一組預(yù)期的性能目標(biāo)。 Rare eventsOccasional events非彈性范圍Frequ

2、ent events彈性范圍水平地震力Very rare events墩頂水平位移破壞第2頁/共80頁第3頁/共80頁設(shè)計(jì)地震水準(zhǔn)與抗震性能等級的關(guān)系地震設(shè)防水準(zhǔn)等級1 等級2 等級3 等級4基本目標(biāo)不可接受性能提高目標(biāo)1提高目標(biāo)2抗震性能目標(biāo)水準(zhǔn)I水準(zhǔn)II水準(zhǔn)III水準(zhǔn)IV第4頁/共80頁保證結(jié)構(gòu)工作在彈性范圍內(nèi)保證結(jié)構(gòu)工作在彈性范圍內(nèi)保證結(jié)構(gòu)上、下部整體工作狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)上、下部整體工作狀態(tài)，震后可立即修復(fù)震后可立即修復(fù)結(jié)構(gòu)總體變形（延性）結(jié)構(gòu)總體變形（延性）主要構(gòu)件危險(xiǎn)截面的極限狀態(tài)保證主要構(gòu)件危險(xiǎn)截面的極限狀態(tài)保證（包括能力設(shè)計(jì)）（包括能力設(shè)計(jì)）無損傷無損傷有限損傷有限損傷嚴(yán)重?fù)p傷而不

3、倒塌嚴(yán)重?fù)p傷而不倒塌 針對不同概率水平地震設(shè)防水準(zhǔn)、不同的結(jié)構(gòu)部件，研究相應(yīng)針對不同概率水平地震設(shè)防水準(zhǔn)、不同的結(jié)構(gòu)部件，研究相應(yīng)的抗震性能指標(biāo)和地震損傷、破壞風(fēng)險(xiǎn)的抗震性能指標(biāo)和地震損傷、破壞風(fēng)險(xiǎn) 第5頁/共80頁基于性能的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：基于性能的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：1.1. 科學(xué)的定義和確定地震危險(xiǎn)性（科學(xué)的定義和確定地震危險(xiǎn)性（seismic hazardseismic hazard）；2.2. 結(jié)構(gòu)在不同水平地震作用下?lián)p傷狀態(tài)、性能水平結(jié)構(gòu)在不同水平地震作用下?lián)p傷狀態(tài)、性能水平 （Performance LevelsPerformance Levels）、性能指標(biāo)；）、性能指

4、標(biāo)；3.3. 設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)初始就明確結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，并且使設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)初始就明確結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，并且使通過設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震作用的反應(yīng)能夠達(dá)到預(yù)先通過設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震作用的反應(yīng)能夠達(dá)到預(yù)先確定的性能目標(biāo)確定的性能目標(biāo) 由于性能設(shè)計(jì)包含的內(nèi)容很廣，特別是在對地震動、結(jié)構(gòu)由于性能設(shè)計(jì)包含的內(nèi)容很廣，特別是在對地震動、結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)及性能指標(biāo)，目前的研究水平還很難達(dá)到對復(fù)雜結(jié)的損傷狀態(tài)及性能指標(biāo)，目前的研究水平還很難達(dá)到對復(fù)雜結(jié)構(gòu)物進(jìn)行完全的性能設(shè)計(jì)。構(gòu)物進(jìn)行完全的性能設(shè)計(jì)。第6頁/共80頁基于性能的基于性能的抗震設(shè)計(jì)抗震設(shè)計(jì)地震設(shè)防水準(zhǔn)地震設(shè)防水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的確定結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的

5、確定結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的預(yù)測結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的預(yù)測設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)能力、需求的平衡實(shí)現(xiàn)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輸入地震輸入第7頁/共80頁第8頁/共80頁水平力位移DL橋梁結(jié)構(gòu)單墩模型D單質(zhì)點(diǎn)單自由度體系單質(zhì)點(diǎn)單自由度體系多質(zhì)點(diǎn)，基礎(chǔ)振型起主要貢獻(xiàn)，等效為單自由度體系多質(zhì)點(diǎn)，基礎(chǔ)振型起主要貢獻(xiàn)，等效為單自由度體系多自點(diǎn)，高階振型貢獻(xiàn)不能忽略，多自由體系多自點(diǎn)，高階振型貢獻(xiàn)不能忽略，多自由體系規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)第9頁/共80頁目前在單自由度體系方面研究得較多，并取得了大量成果！目前在單自由度體系方面研究得較多，并取得了大量成果！多自由體系？多自由體系？第10頁/共80

6、頁nyu曲率nMyMMu彎距=Vc0Vc0Mn_0coMMcoPVcon0=M第1振型第2振型第3振型橋墩的水平撓曲固有振型第11頁/共80頁單柱墩yy中性軸ixyix形心軸oAiiyinyu曲 率nMyMMu彎 距=Vc0Vc0Mn_0004. 0c06. 0018. 0scor2()()32ypuuypLLLL 相應(yīng)于各級性能水平的目標(biāo)位移的確定相應(yīng)于各級性能水平的目標(biāo)位移的確定第12頁/共80頁ACTACT3232對橋梁抗震性能水平的建議對橋梁抗震性能水平的建議第13頁/共80頁性能指標(biāo)破破壞壞水水平平（Damage level） 應(yīng)應(yīng)變變 混混凝凝土土 鋼鋼筋筋 延延性性 曲曲率率延延

7、性性 位位移移延延性性 Significant Damage cu sh 810 46 Repairable Damage 0.00523cu 0.0823sh 46 24 Minimum Damage 0.004cu 0.031.5y 24 12 表表中中：cu約約束束混混凝凝土土的的極極限限壓壓應(yīng)應(yīng)變變 y鋼鋼筋筋的的屈屈服服應(yīng)應(yīng)變變 sh為為鋼鋼筋筋強(qiáng)強(qiáng)化化應(yīng)應(yīng)變變（hardening strain） Caltrans建議Kowalsky和Priestly建議第14頁/共80頁較復(fù)雜構(gòu)件：非線性靜力分析（推倒分析較復(fù)雜構(gòu)件：非線性靜力分析（推倒分析第15頁/共80頁bVUNF能力譜方法第

8、16頁/共80頁輸人初始條件輸人初始條件 質(zhì)量質(zhì)量M，墩高墩高L給定目標(biāo)位移給定目標(biāo)位移u屈服位移屈服位移y計(jì)算位移延性系數(shù)計(jì)算位移延性系數(shù)=u u/y y計(jì)算等效阻尼比計(jì)算等效阻尼比eqeq利用位移反應(yīng)譜計(jì)算有效周期利用位移反應(yīng)譜計(jì)算有效周期T Teffeff計(jì)算有效剛度計(jì)算有效剛度K Keffeff確定極限水平力確定極限水平力H Hu u 和彎矩和彎矩MMu u根據(jù)彎矩根據(jù)彎矩MMu u確定截面尺寸和縱向配筋確定截面尺寸和縱向配筋設(shè)計(jì)橫向鋼筋224effeffMKTueffuuuHKMHL0%5%10%20%位移周期yueffKcrKuH力位移MLH第17頁/共80頁位移需求（結(jié)構(gòu)地震位移

9、反應(yīng)）位移需求（結(jié)構(gòu)地震位移反應(yīng)）位位移移需需求求直接利用彈性位移反應(yīng)譜計(jì)算直接利用彈性位移反應(yīng)譜計(jì)算利用修正彈性反應(yīng)譜或非線性反應(yīng)譜計(jì)算利用修正彈性反應(yīng)譜或非線性反應(yīng)譜計(jì)算能力譜方法能力譜方法非線性地震時(shí)程分析方法非線性地震時(shí)程分析方法等效線性法方法等效線性法方法第18頁/共80頁 經(jīng)過十多年的研究，取得了值得注意的成果，在結(jié)構(gòu)需求與經(jīng)過十多年的研究，取得了值得注意的成果，在結(jié)構(gòu)需求與結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)之間建立了關(guān)系，取得了基于性能設(shè)計(jì)重要的一結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)之間建立了關(guān)系，取得了基于性能設(shè)計(jì)重要的一步，被稱為第一代的基于性能地震工程。美國應(yīng)用技術(shù)委員會步，被稱為第一代的基于性能地震工程。美國應(yīng)用技術(shù)

10、委員會ACT-40ACT-40，ACT-32ACT-32，美國加洲結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會（，美國加洲結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會（SEAOCSEAOC）Vision2000Vision2000 都出版了相應(yīng)技術(shù)文件。都出版了相應(yīng)技術(shù)文件。 但第一代的基于性能設(shè)計(jì)在取得成果的同時(shí)，還存在許多但第一代的基于性能設(shè)計(jì)在取得成果的同時(shí)，還存在許多 不足：針對的模型過于簡單，得到的結(jié)構(gòu)需求與結(jié)構(gòu)性能不足：針對的模型過于簡單，得到的結(jié)構(gòu)需求與結(jié)構(gòu)性能 指標(biāo)之間關(guān)系主要是針對單自由度體系，性能指標(biāo)研究對指標(biāo)之間關(guān)系主要是針對單自由度體系，性能指標(biāo)研究對 象主要是單墩構(gòu)件。象主要是單墩構(gòu)件。 研究方法主要是非線性靜力法和線性動力方

11、法（等效線性研究方法主要是非線性靜力法和線性動力方法（等效線性 化）化） 對橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性能、性能目標(biāo)研究得非常少。對橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性能、性能目標(biāo)研究得非常少。第19頁/共80頁地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)易損性研究地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)易損性研究 目前對結(jié)構(gòu)的易損性研究主要是通過對結(jié)構(gòu)在不同水平目前對結(jié)構(gòu)的易損性研究主要是通過對結(jié)構(gòu)在不同水平地震動作用下?lián)p傷程度來得到概率意義上的易損性曲線。地震動作用下?lián)p傷程度來得到概率意義上的易損性曲線。易損性曲線可以是通過震害調(diào)查得到，也可以是通過理論易損性曲線可以是通過震害調(diào)查得到，也可以是通過理論計(jì)算得到，這里主要介紹理論方法。計(jì)算得到，這里主要介紹理論方法。 由于

12、結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)從地面運(yùn)動到結(jié)構(gòu)性能兩方面固有由于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)從地面運(yùn)動到結(jié)構(gòu)性能兩方面固有的隨機(jī)性和不確定性，采用的隨機(jī)性和不確定性，采用IDAIDA（Incremental dynamic Incremental dynamic analysisanalysis）方法結(jié)合概率方法對橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行易損性）方法結(jié)合概率方法對橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行易損性研究，從而為橋梁結(jié)構(gòu)基于性能的設(shè)計(jì)和評估提供基礎(chǔ)，研究，從而為橋梁結(jié)構(gòu)基于性能的設(shè)計(jì)和評估提供基礎(chǔ)，已成為研究熱點(diǎn)。已成為研究熱點(diǎn)。第20頁/共80頁增量動力分析（增量動力分析（IDAIDA）是近年發(fā)展起來的一種動力參數(shù)分析方法，其）是近年發(fā)展起來的一種

13、動力參數(shù)分析方法，其主要過程為：主要過程為：將地震波的加速度分別乘以一系列加速度調(diào)整系數(shù)將地震波的加速度分別乘以一系列加速度調(diào)整系數(shù), ,使之成為一組使之成為一組不同強(qiáng)度的地震波，分別進(jìn)行非線性動力時(shí)程分析，不同強(qiáng)度的地震波，分別進(jìn)行非線性動力時(shí)程分析，通過繪制所研究結(jié)構(gòu)性能（通過繪制所研究結(jié)構(gòu)性能（Damage Measure）參數(shù)與地震強(qiáng)度參數(shù)與地震強(qiáng)度（intensity measure）的的IDAIDA曲線，來研究結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的曲線，來研究結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的整個(gè)損傷、破壞的全過程。整個(gè)損傷、破壞的全過程。可以通過結(jié)構(gòu)在多條地震波下的可以通過結(jié)構(gòu)在多條地震波下的IDAIDA，

14、將，將“線線”分析拓展為分析拓展為“面面”分析，分析，第21頁/共80頁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 ground exceeding a damage state as a function of a chosen ground motion intensity parameter (ty

15、pically peak ground or motion intensity parameter (typically peak ground or spectral acceleration).spectral acceleration).dScS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標(biāo)要求性能指標(biāo)要求第22頁/共80頁第23頁/共80頁00.250.50.75100.20.40.60.81PGA (g)Probability of Being ExceededMinorModerateMajorCollapse0.600.800.950.40第24頁/共80頁Fr

16、agility Curves for Caltrans Bridges00.20.40.60.8100.20.40.60.811.2PGA (g)Probability of Exceeding Damage StateMinor DamageModerate DamageMajor DamageCollapse第25頁/共80頁Fragilitycurves for the various components of the MSSS-SG bridge for: (a) slight damage, (b) moderate damage, (c) extensive damage, an

17、d (d) complete damage.第26頁/共80頁復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問題阪神地震中西宮港大橋第一跨引橋脫落相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞震害第27頁/共80頁圣費(fèi)南多地震中立交橋梁跨墜毀（金州5號高速干道與14號高速公路）第28頁/共80頁美國洛馬普里埃塔地震中CypressCypress高架橋上層框架塌落第29頁/共80頁簡支梁梁端抗震擋塊連續(xù)梁梁端抗震擋塊第30頁/共80頁Jacques COMBAULT大跨度橋梁第31頁/共80頁第32頁/共80頁第33頁/共80頁第34頁/共80頁Damping 5%Jacques COMBAULT第35頁/共80頁P(yáng)LAN ELE

18、VATION PIER BASEJacques COMBAULT第36頁/共80頁P(yáng)LAN HORIZONTAL OPENING : 2 mELEVATION VERTICAL SLIP : 2 mPIER BASEJacques COMBAULT第37頁/共80頁第38頁/共80頁第39頁/共80頁第40頁/共80頁Foundation ConceptJacques COMBAULT第41頁/共80頁主要展開的研究主要展開的研究第42頁/共80頁(1) (1) 基于性能的大型橋梁抗震理論基于性能的大型橋梁抗震理論第43頁/共80頁P(yáng)ierGiderExpasion JointExpasion

19、 JointFrist SegmentSecond SegmentThird Segment第44頁/共80頁第45頁/共80頁M y u Pushover analysisExperimental and theoretical method are all static methods.213yyuH()()2ppmyuyLHuuLuuLpmyympSeismicForceHIdealized curvature distributions corresponding to Idealized curvature distributions corresponding to yield a

20、nd ultimate flexural failureyield and ultimate flexural failure第46頁/共80頁0123456780.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016單自 由度模型墩底 曲率（ 1/m）加速度調(diào) 整系數(shù)多自 由度模型屈服 曲率極限曲率0123456780.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.8極限位移屈服 位移極限位移單自 由度模型墩頂位移(m)加速度調(diào) 整系數(shù)多自 由度模型屈服 位移 a)墩底曲率IDA曲

21、線 b)墩頂位移IDA曲線 60m墩底曲率和墩頂位移的IDA曲線增量動力分析 第47頁/共80頁0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.00060102030405060多自 由度計(jì)算模型多自 由度計(jì)算模型多自 由度計(jì)算模型t=4.864st=2.91s高度(m)曲率(1/m)0.00.10.20.30.40.50102030405060單自 由度計(jì)算模型多自 由度計(jì)算模型多自 由度計(jì)算模型t=4.864st=2.91s墩高(m)位移(m)（a） 加速度調(diào)整系數(shù)=1.7時(shí)墩身曲率曲線 （b） 加速度調(diào)整系數(shù)=1.7時(shí)墩身變形曲線 60m墩的墩身曲

22、率、變形分布曲線圖第48頁/共80頁第49頁/共80頁第50頁/共80頁第1振型第2振型第3振型橋墩的水平撓曲固有振型第51頁/共80頁P(yáng)seudo-dynamic test of urban viaducts with double deck2. Seismic research第52頁/共80頁P(yáng)seudo-static test of a tall pier 2. Seismic research第53頁/共80頁A-A11111111111 1111111111111111 11111337425685025012965081241245001501501502261464015010

23、6+4x86+106222247422614474614474124124106.5+3x81+106.562022764808157623012485050567488112478060038003800450450450450CCBBC-C140051014001AA1400380040010090090040064015015x5025015x5034x10012x5060012x5060012x50400第54頁/共80頁41723x832002002001002005041003290641111111111124750114111513286828490558290531901第55頁/共80頁Rotating faceSliding faceDouble curve SphereDouble curve sphere isolating bearing橋梁減隔振技術(shù)橋梁減隔振技術(shù)第56頁/共80頁DWDRWFsgnRWKh212gRTRDDWDRWWDeff224第5