基于性能抗震設計理論的城市高架橋抗震性能研究.pdf

1、基于對現(xiàn)代地震經(jīng)驗和教訓的深刻反思，美國學者于20世紀90年代初提出了基于性能的抗震設計理論，這是工程抗震發(fā)展史上的一個重要里程碑?；谛阅艿目拐鹪O計的目的是將所設計的結(jié)構(gòu)在受到不同水平地震作用下的性能達到一組預期的性能目標；它使抗震設計目標由傳統(tǒng)的以生命安全為單一設防目標轉(zhuǎn)為考慮生命安全與財產(chǎn)損失兩方面的具體要求，強調(diào)了“個性”設計。高架橋是現(xiàn)代化大城市的立體交通網(wǎng)絡中關鍵的基礎設施，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。本文在對城市高架橋的抗震設防水準、性能水準和基于性能抗震設計理論彈性設計等方面的簡單探討基礎上，以橋墩頂點位移延性系數(shù)為設計參數(shù)，建立了一套完整的基于性能抗震設計理論的抗震設計方法，并著重研究了幾個相關的關鍵性問題。 1．提出了城市高架橋的抗震設防水準的建議值和高架橋重要性分類標準，并采納改變設計基準期的方法來體現(xiàn)重要性的差別；提出了城市高架橋的5級性能水準和4個性能目標，確定采用橋墩頂點的位移延性系數(shù)作為性能指標；

3、對常規(guī)城市高架橋推導了橋墩位移延性系數(shù)、破損指標與性能水準的對應關系。 2．根據(jù)各個重要性等級下各級抗震設防水準下的超越概率，推導了地震影響系數(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)彈性階段的設計，為設計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計指南》關于場地類別和地震動特征周期分區(qū)的要求分為12組，對大量具有不同屈服強度系數(shù)的單自由度體系在進行了彈塑性時程

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

5、高架橋彈塑性階段設計和相關研究直接使用。特別是Ay-Dy格式的地震需求譜，具有如下性質(zhì)：過原點的射線與屈服強度系數(shù)的需求譜曲線相交，各交點對應的周期都相同，這為實現(xiàn)考慮多級性能目標的基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設計提供了便利。 4．從5個獨立橋墩和6個全橋結(jié)構(gòu)在十幾條地震記錄作用下的彈塑性時程分析入手，對橋梁結(jié)構(gòu)Push—over分析采用的水平加載模式進行了研究。分析結(jié)果表明：對于規(guī)則（長細比大于2．5小于10）獨立橋墩，采用基于位移的水

6、平加載模式對橋墩進行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，并可簡化為橋墩頂部重心處施加一個位移的方式。對于全橋結(jié)構(gòu)，通過對橋梁上部結(jié)構(gòu)位移、橋墩頂點位移和橋墩底部剪力等指標分布規(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)（各橋墩對應點處）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)學表達式，提出了結(jié)構(gòu)非線性位移反應的簡化求解方法—彈塑性需求譜法。在闡述了彈塑性需求譜法的理論依據(jù)基礎上，提出用該方法計算橋梁結(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獨立的非線性單自由度體系及確定有關參數(shù)；運用基于Ay-Dy格式的地震需求譜的特點，確定結(jié)構(gòu)在不同模態(tài)各級地震作用下的屈服強度系數(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，并進行組合。 6．從Mander等人給出的約束應力——應變的本構(gòu)關系出發(fā)，通過一系列的假定，得出了矩形、圓形截面橋墩力學配箍率ωw、軸壓比ηk和曲率延性系數(shù)ηφ之間的關系表達式——橋墩的變形能力公式；將之與25組試驗數(shù)據(jù)進行對比，本文公式與試驗結(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計的兩個階段和具體的設計步驟：一是彈性設計階段，這一階段的設計過程為大家所熟悉，主要是采用反應譜法