大型桥梁的抗震能力设计策略

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,2024年9月21日,78,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,2024年9月21日,77,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,2024年9月21日,49,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,2024年9月21日,66,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,*,*,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略,同济大学桥梁工程系,2024年9月21日,68,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大型桥梁的抗震能力设计策略,袁 万 城,1,问题的提出,随着经济实力的增强，世界范围内的桥梁越造越大。震害也随之越来越严重，据统计，去年的汶川地震造成的直接损失中，道路、桥梁等基础设施占到了,21.9%,。,大型桥梁作为生命线工程的重要节点，必然会对其抗震安全提出更高的要求。目前，随着抗震理论的发展，各国规范也对大型桥梁的抗震能力提出很高的要求。因此对如何提高大型桥梁的抗震能力开展研究是非常有必要的。,图,1.1,汶川地震中桥梁、道路等损失占,21.9%,2,研究思路,问题的提出,改善桥梁结构抗震性能无外乎两种途径：即降低地震需求和增强结构抗震能力。目前，已有多种方法策略，比如：结构体系的选择、减隔震设计、结构控制,、延性设计,等等。,体系的选择,延性设计,延性类型的选择,塑性耗能机制的选择,地震力传递相对均匀体系,动力特性与场地特性相适应,被动控制,(,减隔震设计,),主动控制,结构控制,设计,策略,体系策略,局部策略,3,1.地震力传递相对均匀体系,2.,结构动力特性与场地特性相适应,3.,组合梁桥抗震能力潜力与优势,4.,经济有效的抗震措施（拉索减震支座、局部应用钢,钎维混凝土和钢护筒等）,大型桥梁的抗震能力设计策略,1.1,横向地震力传递相对均匀体系,利用连续梁桥的等效简化分析模型，分析结构振动特性和受力特点;,结合反应谱理论,针对不同场地情况,探讨桥墩刚度分布对横桥向抗震性能的影响；,提出改善受力的可行性方案,通过实际工程进行有限元验证。,主要内容：,图,1.2,(,a),变形前的结构体系,图,1.2,(,b),变形后的结构体系,连续梁桥横桥向简化分析模型,连续梁桥内力、位移反应简化计算公式,平动位移,转动位移,墩顶位移,墩顶剪力,质量中心位移,等代体系刚度,频率,周期,动力放大系数,上部结构水平加速度峰值,横向水平地震力,代入,改善横桥向桥墩受力的可行性方案,工程概况:,本桥是一座等跨度的25跨,T,形连续梁桥，每跨29,m,分成,五联，第一联3跨，第二联7跨，其余各5跨。,图,1.3,某连续梁桥模型图,地震动输入,反应谱理论,：,图,1.4,规范反应谱曲线,弹性反应谱方法通过反应谱概念巧妙的将动力问题静力化，使得复杂的结构地震反应计算变得简单易行，目前世界各国规范都把它作为一种基本的分析手段。,类场地的特征周期较短，若结构柔性，即自振周期大于特征周期，自振周期的增大将使动力放大系数大幅度减小；,类场地的特征周期长，长周期结构在软土地基上将导致墩顶位移很大，所以刚性短周期结构是有利的。,原型桥墩顶位移、墩底内力汇总表,墩号,墩型,类场地,类场地,墩顶位移（,m,）,剪应力（,MPa,）,正应力（,MPa,）,墩顶位移（,m,）,剪应力（,MPa,）,正应力（,MPa,）,1,双,0.024,4.630,4.342,0.047,9.290,8.722,2,双,0.047,0.961,1.168,0.095,1.893,2.321,3,独,0.071,0.392,7.630,0.142,1.461,15.799,3,独,0.071,0.392,7.630,0.142,1.461,15.799,4,独,0.066,0.071,4.741,0.133,0.220,8.960,5,独,0.061,0.079,4.382,0.123,0.216,7.757,6,独,0.055,0.108,4.890,0.110,0.275,7.467,7,独,0.050,0.081,3.844,0.101,0.204,6.275,8,独,0.047,0.255,4.160,0.095,0.657,7.409,9,独,0.043,0.260,4.817,0.086,0.882,9.847,10,独,0.039,0.650,9.161,0.078,2.591,18.289,类场地的改善方案,类场地的改善方案,类场地的特征周期较短，若结构柔性，即自振周期大于特征周期，自振周期的增大将使动力放大系数大幅度减小；,地震能量集中在短周期范围内，柔性长周期体系是较好的选择;,在刚度较大桥墩墩体中间设置纵向竖缝，减小横桥向等代体系刚度，调整了全联的刚度分布。,图,1.5,设置纵向竖缝,类场地的改善方案反应峰值,类场地的改善方案,类场地的改善方案,从类场地的反应谱曲线可以看到：在软弱地基上，能量大部分集中在长周期范围内，刚性的短周期结构可以避免大强度的地震反应；,针对这种情况，应采取转换分联方式，并增大关键点横桥向刚度的办法增大等代体系刚度，调整刚度分布，并改善受力；,改善分联方式应立足于使一联内，尤其是起控制作用的一联内桥墩刚度分布均匀合理；,增大关键点刚度的目的是控制墩顶位移峰值，具体做法是将独柱墩分解为双柱墩，并设置系梁。,图,1.6,独柱墩分解为双柱墩,类场地的改善方案反应峰值,小 结：,目的：减小墩底应力 峰值和墩顶位移,核心问题：如何减小关键一联的转动位移,坚实场地,软土地基,选择柔性长周期结构,选择刚性短周期结构,措施：在某些独柱墩上设置纵向竖缝减小横桥向刚度,措施：改变制动墩或伸缩缝的位置，并将某些独柱墩分解为同体积的双柱墩增大横桥向刚度,1.2,纵向地震力传递相对均匀体系,纵向飘浮体系,(,斜拉桥、悬索桥,),连续梁式桥体系,措施：,1,）均匀受力；,2,）滑动,+,限位,常用体系：,飘浮体系斜拉桥塔梁间设置弹性拉索装置改变结构传力途径,19,(a),拉索刚度对结构周期的影响,(b),拉索刚度对梁端位移的影响,(c),拉索刚度对塔底弯矩的影响,(d),拉索刚度对塔底剪力的影响,20,21,22,2.1,结构动力特性与场地特性相适应：超大跨斜拉桥示例,从飘浮体系结构的动力特性和最基本的地震反应入手，突出影响结构动力特性的主要参数，寻求可以明显减小位移反映并兼顾内力的若干新桥型和可行性方案，达到提高柔性体系抗震性能的目的，为斜拉桥跨度的飞跃打下良好的基础。,加速度反应谱和位移反应谱,图,2.1,反应谱曲线,苏通大桥的抗震分析,图,2.2,苏通大桥模型图,基本周期,T=13.395s,，反对称纵飘振型,梁端位移,1.031m,塔顶位移,1.106m,立体桥塔方案,图,2.3,立体桥塔模型,表,2.1,主梁、桥塔的物理特性,表,2.2,立体塔模型的振型和周期,阶数,周期（,s）,频率（,Hz）,振型模式,1,7.316,0.1367,侧向对称弯曲,2,5.873,0.1703,反对称纵飘,3,4.587,0.2180,竖向对称弯曲,4,3.475,0.2878,竖向反对称弯曲,5,2.832,0.3531,侧向反对称弯曲,6,2.671,0.3744,竖向对称弯曲,7,2.246,0.4452,桥塔侧向同向弯曲,8,2.243,0.4458,桥塔侧向异向弯曲,9,2.236,0.4472,竖向反对称弯曲,10,2.231,0.4482,竖向对称弯曲,位移反应的比较,表,2.3,关键点位移的比较,内力反应的比较,Table2.4,塔底内力的比较,原型,编号,N(kN),V2(kN),M1(kN.m),左塔塔底,1,1.070E+05,3.092E+04,2.290E+06,2,1.070E+05,3.094E+04,2.290E+06,立体塔模型,编号,N(kN),V2(kN),M1(kN.m),左塔塔底,1,2.142E+05,3.218E+04,2.035E+06,2,2.142E+05,3.219E+04,2.035E+06,3,2.162E+05,3.216E+04,2.034E+06,4,2.163E+05,3.216E+04,2.034E+06,在纵向竖向输入地震波的情况下，立体塔底总弯矩是原型的,1.78,倍，但每根塔柱底面承担的弯矩是原型的,88%,，因此，该方案并没有给塔底受力造成很大的负担。,部分地锚式斜拉桥,图,2.4,第一阶反对称纵飘,Self-anchored,Partially,Ground-anchored,地锚斜拉桥的简化模型,Fig. 2.5 Simplified Model of,Partially Ground-anchored Cable-stayed Bridge,图,2.6,地锚谢拉桥的动力特性,关键点位移反应的比较,部分地锚式斜拉桥可以有效减小结构的特征周期，降低梁端、塔顶位移，有效改善了结构的抗震性能。对周期较长的大跨度斜拉桥，不会使塔底截面内力超过允许范围。所以，从抗震概念设计的角度，部分地锚式斜拉桥是一种优良的桥型。,其他可供参考的结构形式,香港汀九斜拉桥设计构思,其他可供参考的结构形式,3.1,组合梁桥抗震潜力及性能研究,钢,-,混凝土组合梁和混凝土桥墩组成的体系具有良好的力学性能和经济性能，在国内外应用越来越多。其优势具体表现在以下方面：,组合梁桥的优势,与混凝土桥相比，高度较低、自重轻、地震作用小，相应使得结构的延,性提高、基础造价降低。,同钢桥相比，减小用钢量，增大刚度，增强结构抗火性和耐久性等。,在经济上具有很大优势。据法国统计，当跨径为,30m,至,110m,，特别是,60m,至,80m,范围内，钢,混凝土组合桥的单位面积造价要低于混凝土桥,18 %,。,35,某城市高架中一座四跨连续梁桥,图,3.1,某城市高架中一座四跨连续梁桥,组合梁桥抗震潜力及性能研究,桥梁构造尺寸,下面,以某四跨连续梁桥为例，通过建立简化的单自由度模型，利用反应谱方法，详细分析混凝土主梁和组合结构主梁两种方案的地震响应。,36,主梁,桥墩形式,墩高,(m,）,上部结构质量,(t),方案,1,钢筋混凝土,实心墩,7,3899.5,方案,2,钢,混凝土组合梁,空心墩,7,1474.0,图,3.2,单自由度模型,图,3.3,规范反应谱,组合梁桥抗震潜力及性能研究,简化分析模型及方法,37,图,3.5,水平地震力系数,E,与质量比的关系,图,3.4,反应谱值,与质量比的关系,组合梁桥抗震潜力及性能研究,上部结构质量,m,的影响,38,在,、,、,类场地条件下，水平地震力仅为混凝土主梁方案的,61.5,%,，地震力需求减小了,38.5,%,；,类场地下，组合结构桥梁水平地震力减小更加明显，仅为混凝土方案的,51.1,%,，地震力需求减小近一半。,组合梁桥抗震潜力及性能研究,表,3.1,两主梁方案抗震性能比较（质量不同）,主梁方案,上部结构,重量,（,t,）,质量比,m/m,0,周期,（,s,）,场地类型,反应谱值,水平地震力,系数,E,方案一,预应力混凝土,主梁,3899.5,1.000,0.880,类场地,0.284,1108.386,类场地,0.398,1551.741,类场地,0.512,1995.095,类场地,0.739,2881.804,方案二,组合结构,主梁,1474,0.378,0.541,类场地,0.462,681.450,类场地,0.647,954.030,类场地,0.832,1226.609,类场地,1.000,1474.000,混凝土梁和组合梁的抗震潜力及性能比较,39,组合梁桥抗震潜力及性能研究,表,3-2,两主梁方案抗震性能比较（轴压比一致）,主梁方案,上部结构,重量,（,t,）,刚度比,周期,（,s,）,场地类型,反应谱值,水平地震力,系数,E,方案一,预应力混凝土,主梁,3899.5,1.000,0.880,类场地,0.284,1108.386,类场地,0.398,1551.741,类场地,0.512,1995.095,类场地,0.739,2881.804,方案二,组合结构,主梁,1474,0.600,0.541,类场地,0.358,527.849,类场地,0.501,738.988,类场地,0.645,950.128,类场地,0.931,1372.407,在,、,、,、,类场地条件下，水平地震力仅为混凝土主梁方案的,47.6,%,，地震力需求减小了,52.4,%,；且桥墩混凝土较实心墩节省了,62.2,%,，抗震性能和经济性都得到了大幅提高。,40,组合梁桥抗震潜力及性能研究,通过前面的介绍，我们可以得到以下结论：,结构质量减轻可以使桥梁地震力需求减小；,当轴压比一致时，结构质量减小使结构受到的地震力明显,减小；,组合梁桥地震需求小，对结构的抗震性能和经济性有很大,提高；,小结,41,柔性墩抗震策略,刚性墩抗震策略,4,经济有效的抗震措施,42,4.1,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,设计,减隔震支座很多，但即有效又经济的少；,常用的滑动支座,+,弹性索措施，锚固位置细部构造复杂。,图,4.1,设计理念示意,开发新支座的原因？,设计理念,=,摩擦力,拉索减隔震支座,在罕遇地震作用下，通过剪断抗剪螺栓的方法将固定支座变为活动支座，并用拉索限制因此引起的过大墩梁相对位移。,43,(1),正常使用状态时，在不超过正常行程的范围内，拉索不起限位作用，拉索减震支座与盆式橡胶支座相同 ；,(2),在遭遇小震及中等烈度地震的情况下，固定支座抗剪螺栓原则上不允许剪断，以避免震后更换支座；,(3),在桥梁结构遭遇罕遇地震时，固定支座抗剪螺栓剪断，隔离上部结构与桥墩之间地震力的传递；同时由拉索限制因此造成的过大位移。,性能目标,组成,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,3.,拉索,1.,盆式支座,2.,抗剪螺栓,图,4.2,(a),固定拉索减震支座组成,图,4.2(b),拉索减震支座实物照片,44,主要设计参数,拉索长度，根据几何投影关系确定。,拉索刚度，拉索刚度的合理取值由参数分析确定。,抗剪螺栓强度，取,10%,20%,的竖向承载力。,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,45,水平位移能力强,竖向承载力大,技术成熟，造价较低,限位能力强,拉索减震支座,精确的分析恢复力模型,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,46,图,4.3,试验用支座,试验,了解拉索减震支座行为性能，研究位移幅值、竖向力对支座性能基本参数如摩阻系数、滞回性能的影响。,拟静力试验在同济大学的,2000,吨动、静电液伺服加载系统上进行。,水平位移采用拉线式位移计进行量测，竖向力和水平力的测量采用伺服加载,系统自带的力传感器采集。,试验目的,加载及数据采集,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,47,图,4.4,加载制度,工况,编号,支座类型,竖向力,(kN),最大水平,位移,(mm),1,滑动,2000,80,2,滑动,4000,80,3,滑动,5000,80,4,固定,5000,100,（,1,）工况,1,工况,3,：竖向荷载保持恒定，水平荷载,等幅位移控制,的加载方式，以,10mm,为一个等级，每级加载循环,3,次。,（,2,）工况,4,：竖向荷载保持恒定，水平荷载等幅、变幅相结合的位移控制加载方式，,0,80mm,范围内，以,10mm,为一个等级，,80,100mm,范围内，以,5mm,为一个等级，每级加载循环,3,次。,试验工况,加载制度,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,48,摩擦系数,静摩擦系数随竖向力的增加而减小 ；,动摩擦系数比静摩擦系数小；,工况,4,比工况,3,略大，抗剪螺栓剪切面对摩擦面的影响。,试验结果分析,图,4.5,静摩擦系数,图,4.6,动摩擦系数,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,49,图,4.7,滞回曲线,各工况的滞回曲线比较一致，滞回曲线可划分为两段：摩擦耗能段和拉索限位段；,摩擦段耗能性能稳定，不同竖向压力下大致相同；,拉索限位段刚度较大，限位效果明显。,工况,1,工况,2,工况,3,工况,4,?,曲线不对称的原因,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,50,骨架曲线,图,4.8,各工况骨架曲线比较,各工况骨架曲线基本吻合。在拉索起作用开始后，斜率基本相同，说,明拉索的作用比较稳定。,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,图,3.8(a),不同竖向荷载,图,3.8(b),不同加载位移,51,数值模拟,恢复力模式,图,4.9,恢复力模式,(a),盆式支座；,(b),拉索；,(c),拉索减震支座,拉索减震支座由盆式支座与拉索组合而成，其恢复力也可以由二者组合而成。,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,+,=,52,SAP2000,中的模拟方法,盆式支座采用,Wen,塑性单元模拟，拉索采用多段线弹性连接单元模拟；,在支座底板施加固定约束，在顶板施加竖向力和水平力对试验过程进行模拟 。,图,4.10 SAP2000,模型,图,4.11,滞回曲线比较,拉索,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,53,图,4.12,模拟与试验对比,摩擦耗能段与试验结果基本一致；,限位段因刚度取值与试验的误差，略有不同。,模拟结果与试验结果对比,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,54,图,4.13,计算模型,以某四跨连续梁为例，如图所示。,3#,墩设置两个固定盆式支座，其他墩均设置一个双向滑动支座和一个单向滑动盆式支座。,在分析中，假定桥墩保持弹性，仅考虑了支座非线性。,有效性分析,工况,固定墩墩底内力反应,墩梁相对位移,(m),剪力,(kN),弯矩,(kNm),边墩,固定墩,工况,32546.91,620023.58,0.108,-,工况,7788.71,86000.05,0.14,0.12,(,-,)/,-76%,-86%,27%,-,表,3.1,有效性分析,固定墩墩底剪力和弯矩分别下降,76%,和,86%,，而边墩墩梁相对位移仅增加,27%,；,具有良好的限位能力，且能够显著地减小固定墩所受的地震力 。,分析了两种工况：工况,3#,墩采用固定盆式支座； 工况,3#,墩采用固定型拉索减震支座。,地震动输入为,N-S,方向的,El-Centro,波,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,55,拉索刚度的合理取值,（,a,）梁端位移与拉索刚度关系,(b),固定墩墩底弯矩与拉索刚度关系,图,4.14,参数敏感性分析,墩梁相对位移随着刚度的增大迅速减小，但减小的速度越来越小，超过某个值后，,贡献甚微。,固定墩墩底弯矩随拉索刚度的增大而增大。,拉索的刚度并不是越大越好，而是要找到一个合适的平衡点，以墩梁相对位移为,主要依据，兼顾墩底内力。,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,56,拉索减震支座在九堡大桥中的应用,全桥孔跨布置为：,55+285m+90,（北侧引桥）,+3210m,（主桥）,+90+985+55m,（南侧引桥），全长,1855m,。,引桥为等截面连续组合箱梁桥，主桥为连续结合梁钢拱组合体系桥。,图,4.15,杭州,九堡大桥有限元模型,工程简介,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,57,桩基能力验算结果,工况,位置,最不利单桩的需求,抗弯能力,(kN,m),是否通过,最不利轴力,P(kN),弯矩,M(kN,m),100,年,3%,（纵向竖向输入）,PN2,6284.55,17278.60,20830,PN1,10306.98,12620.43,22390,*,PS1,-1255.22,15140.13,17140,PS2,6741.51,16323.89,21020,100,年,3%,（横向竖向输入）,PN2,8360.30,21555.07,21660,PN1,8563.52,21265.35,21740,*,PS1,7854.26,23128.54,21460,PS2,9446.17,19096.52,22080,表,3.2,一般冲刷工况,主桥,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,58,工况,位置,最不利单桩的需求,抗弯能力,(kN,m),是否通过,最不利轴力,P(kN),弯矩,M(kN,m),100,年,3%,（纵向竖向输入）,PN2,9633.05,18446.68,22150,PN1,10871.67,15390.73,22590,*,PS1,1545.59,22936.48,18640,PS2,9590.69,18483.32,22130,100,年,3%,（横向竖向输入）,PN2,11269.20,20040.30,22720,PN1,10755.51,23253.46,22550,*,PS1,11491.38,21323.01,22800,PS2,11195.50,19372.89,22700,表,3.3,局部冲刷工况,主桥,一般冲刷和局部冲刷工况，主桥均出现桩基能力不足情况；,纵向输入时，主桥固定墩,PS1,桩基能力不足；,横向输入时，主桥固定墩,PS1,及相邻墩,PN1,的桩基抗震能力不足，一般冲刷工况，,PN2,也只是勉强满足地震需求。,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,59,原方案支座验算,分别对一般冲刷和局部冲刷两种工况下，支座在纵、横向地震波输入时的剪切强,度进行验算；,主桥的所有固定支座（包括纵、横两个方向）在,P2,概率水平地震作用下的水平剪,力均远大于竖向承载力的,20%,，必然会出现剪坏。,引桥的固定墩支座、边墩支座在地震横向输入下亦会出现剪切破坏。,改进方案,-,拉索减震支座方案,允许主桥各墩和引桥固定墩及边墩上的支座在受约束方向剪断，用拉索限制因此,而产生的过大墩梁相对位移，即建议在这些墩上安装拉索减震支座。,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,60,自由行程的确定,取值原则：,（,1,）要大于温度产生的伸缩量，保证正常使用状态下，支座的自由变形；,（,2,）要小于地震作用下支座全部剪断后产生的墩梁相对变形，即保证拉索起作用；,（,3,）同一联桥梁各支座自由行程应相同。,根据以上,3,条原则，确定拉索支座的自由行程,u,0,。,北引桥,主桥,南引桥,纵向,0.060,0.120,0.140,横向,0.01,0.01,0.01,表,3.4,自由行程建议值（单位：,m,）,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,61,拉索刚度的合理取值,左图为墩底剪力与拉索刚度关系；,右图为支座变形与拉索刚度关系；,主桥、北引桥和南引桥各固定墩墩底剪力随着刚度的增大而增大，规律大致相同；,支座变形随着拉索刚度的增大而减小。,随着拉索刚度的增大，支座变形的变化越趋于缓和，而此时，墩底剪力却有较大的增长；,主桥拉索减震支座的纵向拉索刚度取,310,5,kNm,；南、北引桥拉索减震支座的纵向拉索刚度取,210,5,kNm,。,横向刚度取值方法相同。,主桥,PS1,北引桥,PN4,南引桥,PS5,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,62,减震有效性分析,通过对墩底剪力和弯矩的比较可知，固定墩墩底内力有大幅度减小，最大可减小至仅为原方案的,30%,，而其它各墩内力又不至于增加太多 ；,对支座变形的对比结果可以看出，拉索支座可以有效地限制住因支座剪断而产生的过大位移，拉索减震支座方案的支座变形量约为原设计方案因支座剪断而产生的位移的,70%,左右；,拉索减震支座的设计、试验及工程应用,63,4.2,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,SFRC,本构模型,材料本构性能的研究是结构理论研究和工程设计的基础，材料本构关系的精度,极大程度上决定着计算结果能否正确地反映结构行为的实际状况,；,SFRC,主要与基体强度、体积掺量和长径比有关；工程应用中，体积掺量一般,02%,，长径比一般,5080,。,桥墩截面由保护层和核心砼两部分组成；,对无约束,SFRC,，已有很多种模型，国内外不少于,10,个；,箍筋约束,SFRC,本构模型研究较少；,Ramesh (2003,India),Mansur(1997,Singapore),Ganesan(1990,India),Tanigawa(1981,Japan),64,本文选用,Barros and Figuerias,于,1999,年提出的本构模型。,为什么选这个？,Francesco Bencardino (2008,Italy),(a),长径比为,60,(b),长径比为,75,图,4.1 SFRC,的应力,-,应变曲线,无约束,SFRC,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,65,将无约束,SFRC,的峰值应变代替式（,4.1,）中的,0.002,，用极限应变代替式（,4.2,）中的,0.004,即可。,（,4.1,）,（,4.2,）,对于箍筋约束,SFRC,本构模型，本文以,Mander,模型为基础，采用以下方法构建：,箍筋约束,SFRC,2003,年，印度学者,K.Ramesh,通过,90,个试件的试验，得到一个本构模型，其中：,箍筋和钢纤维的贡献分别考虑。由于采用的约束指标与我们常用的不同，故未采用。,经计算，与,Ramesh,结果比较一致。,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,66,为什么要局部使用,价格昂贵，,1%,的掺量使造价增大一倍；,“好钢用在刀刃上”，,局部使用对整体造价增加不多。,经济原因,力学可行性,英国学者,R.N.Swamy,在试验中发现，局部采用与全部采用对构件弯曲性能增,强效果大致相同 ；,钢纤维对普通混凝土性能的改善主要在延性和韧性方面；,塑性铰是一个局部区域,。,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,67,局部,SFRC,合理长度,由于桥墩的弯矩是沿墩高线性变化的，所以当墩底截面的弯矩达到 时，要使普通钢筋混凝土也正好进入屈服，所需要的 的表达式为：,图,4.2,计算图式,两点说明：,1.,2.,计算局部,SFRC,合理长度时还应考虑材料超强的影响。常规桥梁墩柱超强系数在,1.21.6,之间。桥墩处于低轴压比范围，建议超强系数取,1.3,；,摘自殷鹏程硕士论文,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,68,曲率延性系数,参数,截面材料,(1/m),(1/m),C30,普通混凝土,0.001225,0.01978,16.15,-,L,f,/D,f,=60,V,f,=0.5%,0.001179,0.03827,32.45,2.01,V,f,=1.0%,0.001175,0.04133,35.17,2.18,V,f,=1.5%,0.001171,0.04507,38.50,2.38,V,f,=2.0%,0.001166,0.04875,41.79,2.59,L,f,/D,f,=75,V,f,=0.5%,0.001178,0.03919,33.26,2.06,V,f,=1.0%,0.001173,0.04340,37.00,2.29,V,f,=1.5%,0.001167,0.04823,41.32,2.56,V,f,=2.0%,0.001162,0.05285,45.49,2.82,注： 为,SFRC,相对于普通混凝土延性系数增大系数。,表,4.1,曲率延性系数,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,69,局部采用,SFRC,桥墩抗震能力评价,简化为单墩模型；,Pushover,方法,图4.,3,模型,1,推倒分析结果,(,墩高,10m),(a),长径比为,60,(b),长径比为,75,其余三个模型（墩高分别为：,15m,、,20m,、,25m,）规律相似。,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,70,C30,普通混凝土,L,f,/D,f,=60,V,f,=0.5%,V,f,=1.0%,V,f,=1.5%,V,f,=2.0%,/,/,/,/,模型,1,0.2127,0.4049,0.4367,0.4756,0.5138,1.90,2.05,2.24,2.42,模型,2,0.4457,0.8454,0.9068,0.9869,1.0670,1.90,2.03,2.21,2.39,模型,3,0.7619,1.4428,1.5431,1.6834,1.8236,1.89,2.03,2.21,2.39,模型,4,1.1651,2.2026,2.3699,2.5703,2.7706,1.89,2.03,2.21,2.38,C30,普通混凝土,L,f,/D,f,=75,V,f,=0.5%,V,f,=1.0%,V,f,=1.5%,V,f,=2.0%,/,/,/,/,模型,1,0.2127,0.4145,0.4582,0.5084,0.5563,1.95,2.15,2.39,2.62,模型,2,0.4457,0.8653,0.9563,1.0606,1.1603,1.94,2.15,2.38,2.60,模型,3,0.7619,1.4785,1.6232,1.8035,1.9637,1.94,2.13,2.37,2.58,模型,4,1.1651,2.2495,2.4901,2.7611,3.0108,1.93,2.14,2.37,2.58,表,4.2,桥墩变形能力比较（长径比为,60,）,表,4.3,桥墩变形能力比较（长径比为,75,）,钢纤维混凝土大幅提高了桥墩变形能力，本文模型中，最大可达,2.62,倍,。,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,71,SFRC,替代加密的,箍筋构想：,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,72,无箍筋设计构想：,局部采用钢纤维混凝土,(SFRC),桥墩抗震能力评价,73,4.3.,钢护筒群桩,图,4.1,钢护筒桩模型,图,4.2,不同钢护筒设置方式对能力曲线的影响,图,4.3,不同含钢率对能力曲线的影响,注：模式一为未设置钢护筒，模式二为边桩设置部分钢护筒（护筒长度至泥面下第二塑性铰位置处），模式三为边桩全长设置钢护筒，模式四为所有桩基全长设置钢护筒,4.3.,钢护筒群桩,图,4.4,不同含钢率极限状态边桩曲率,4.3,钢护筒群桩,5,总结,针对目前对桥梁抗震能力提出越来越高的要求，总结出几条具体的抗震能力设计策略：,设计地震力传递相对均匀体系以及使结构动力特性与场地特性相适应对提高桥,梁抗震能力非常重要；,利用钢,混凝土组合主梁代替现在普遍采用的混凝土主梁，减轻上部结构质量，,以减少地震输入能量；,拉索减震支座，以减少地震力在桥梁结构中的传递，并控制墩梁相对位移；,利用,SFRC,及钢护筒可以改善其桥墩、桩的抗震能力。,77,谢 谢 ！,