西部交通建设科技项目合同号 :200731882233 交通编号 : 密级 : 单位编号 : 分类号 : 西部地区公路桥梁延性抗震机理与高墩抗震设计方法 减震措施 ( 研究报告简本 ) 同济大学重庆交通科研设计院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院福州大学 2011 年 5 月
中文题名 英文题名 西部地区公路桥梁延性抗震机理与高墩抗震设计方法 减震措施 Seismic ductility mechanism research of highway bridges in western China and seismic design method and earthquake mitigation measures for bridges with high piers 交通编号项目来源交通部西部项目 单位编号合同号 200731882233 分类号 U44 项目起止年限 2007.7-2010.6 第一完成单位同济大学 密级 李建中 李建中郑罡 项目负责人 郑罡 报告撰写人 庄卫林卓卫东 庄卫林 管仲国 项目主要参与人员范立础叶爱君卓卫东唐光武蒋劲松袁永明钟川剑刘振宇蒋建军胡世德王志强彭天波管仲国上官萍彭凯罗升张又进余翔曹发辉吴庆雄 主题词 关键词 公路桥梁 ; 延性抗震 ; 设计方法 ; 减震措施 桥梁 ; 非规则 ; 高墩 ; 抗震性能 ; 延性抗震机理 设计理论 ; 减隔震措施
目 录 1 项目概况... 1 2 主要研究成果... 1 2.1 桥墩延性性能 破坏机理研究... 1 2.2 西部典型高墩桥梁结构地震反应规律 合理抗震体系... 3 3 本项目的主要创新点... 6
1 项目概况 本项目研究内容分为两大部分 10 个子课题, 两大部分为 :(1) 我国典型桥墩的延性性能和破坏机理研究, 建立桥墩延性性能指标体系和数据库 ;( 2) 西部典型高墩桥梁结构地震反应规律和合理抗震体系的研究 ;10 个子课题为 : (1) 子课题 1: 公路桥梁延性性能和相关计算分析方法 ; (2) 子课题 2: 桥梁延性抗震设计理论与计算公式 ; (3) 子课题 3: 合理的桥梁延性抗震构造措施 ; (4) 子课题 4: 建立我国不同类型桥墩延性指标体系和数据库 ; (5) 子课题 5: 高墩桥梁纵 横向地震作用及响应分布规律 ; (6) 子课题 6: 高墩桥梁的地震损伤状态 破坏机理和性能指标及分析评估方法 ; (7) 子课题 7: 实用的高墩桥梁减震方法及防落梁措施 ; (8) 子课题 8: 编制桥梁延性抗震设计指南 ; (9) 子课题 9: 编制高墩桥梁抗震设计指南 ; (10) 子课题 10: 实体工程示范应用研究 2 主要研究成果 本项目的研究内容主要由 :(1) 桥墩延性性能 破坏机理研究 ;(2) 西部典型高墩桥梁结 构地震反应规律 合理抗震体系两大部分组成 主要研究成果有 : 2.1 桥墩延性性能 破坏机理研究 (1) 进行了典型桥墩的拟静力试验 ( 图 1), 基于试验数据分析, 回归了墩柱构件位移延性水平与残余位移 位移延性水平与卸载刚度 位移延性水平与损伤指数的定量关系 ; 初步建立了残余变形与震后可修复性之间的关系 1
图 1 桥墩的拟静力试验结果 (2) 基于对试验结果结合数值计算, 改进了墩柱构件位移延性和塑性铰长度计算公式, 该塑性铰长度计算公式与现行公路桥梁抗震设计细则的公式略有差别 ; 针对国内情况及配筋特点, 提出了明确的桥墩等效刚度计算公式 ( 现行 公路桥梁抗震设计细则 未给出明确的等效刚度计算公式 ) 可为公路桥梁抗震规范的修编提供一定的参考 首次提出以构件中性轴分布特性为基础的开裂刚度研究方法, 使用 三段式 刚度分析法编制了易于使用的墩柱构件力 - 位移曲线的计算绘制程序 (3) 归纳了国内外相关规范和研究成果中约束箍筋含量与截面曲率延性水平之间定量关系及相关公式 塑性铰区域约束箍筋的最小配筋率及相应计算公式 (4) 提出了改进拟静力试验中的测试技术 : 提出通过采用三分量 ( 弯曲变形 剪切变形 粘结滑移变形, 见图 2) 拟静力试验测试技术, 并取得了良好的试验效果, 可为国内同类试验研究提供参考 借鉴 图 2 桥墩 3 分量变形结果 (5) 建立了包括美国 日本和国内已有试验数据及本课题试验获得的试验数据在内的桥 2
墩试验数据库, 并就如何筛选 利用国外墩柱性能数据库已有的试验数据展开了重要探索, 获得了初步经验, 为今后类似工作提供一定参考 2.2 西部典型高墩桥梁结构地震反应规律 合理抗震体系 (1) 采用振型参与系数 质量参与系数 振型贡献系数和振型地震反应贡献系数四种高阶振型评价指标, 研究高墩桥梁纵 横桥向高阶振型对地震反应的贡献, 并以振型地震反应贡献系数为基础, 分析其他三种指标的有效性 (3) 将多模态推倒分析方法 ( 简称 MPA 方法 ) 与能力谱曲线结合, 并将其应用于高墩桥梁结构的纵 横桥向地震反应分析 分别采用基本振型推倒分析 ( 简称 SPA) MPA 方法估计不同高度的等墩高 变墩高连续刚构中联模型的纵 横桥向地震反应, 并与非线性时程分析 ( 简称 NL-THA) 方法得到的结果进行对比, 分析了 SPA 和 MPA 方法的误差和适用范围 (4) 通过对不同类型的高 低墩模型进行地震反应分析, 研究了高 低墩桥梁地震力分配规律, 并通过改变桥墩 桥台与主梁的连接形式, 使模型的质量刚度分布均衡, 来实现地震力的合理分配, 并控制主梁位移反应和桥墩 桥台与主梁的相对位移反应 提出当模型墩高较矮时, 高 低墩都采用板式橡胶支座来减小结构体系的纵桥向刚度 模型墩高较高时, 高墩可采用铰接固定支座, 低墩采用板式橡胶支座 模型墩高很高时, 高墩可采用铰接固定支座, 低墩采用板式橡胶支座, 由于体系刚度较小, 可适当增加板式橡胶支座刚度, 使主梁的位移和墩梁相对位移减小到合理的范围 (6) 采用弹塑性梁柱单元和弹塑性纤维梁柱单元分别建立高墩的两种计算模型, 深入讨论了高墩在地震作用下, 塑性铰形成 塑性区扩展以及塑性转角 墩顶位移等结构地震需求的规律, 针对弹塑性梁柱单元模型中不同单元划分数量对墩柱地震需求的影响进行了比较分析, 结果表明 : 采用弹塑性梁柱单元时, 可能会在桥墩上出现多个塑性铰 ( 塑性区域 ), 此时, 把墩底塑性转角作为桥墩塑性转动需求, 将导致低估桥墩塑性转动需求 (7) 将增量动力分析应用于高墩的损伤 破坏过程分析, 并与静力推倒分析方法的计算结果相比较, 研究了地震荷载频谱特性 高阶振型 墩身质量效应 材料非线性水平等因素对高墩位移能力 延性能力的影响 通过两种方法计算结果的比较, 研究了墩身质量和高阶振型参与对高墩桥墩身节点位移 截面曲率及临界状态侧向荷载或惯性力分布模式等方面的影响 结果表明 : 由于高阶振型和墩身质量的参与, 高墩变形和截面曲率成复杂的高次曲线, 采用简单的侧向荷载分布形式无法模拟高墩破坏过程 传统的中 低墩为移能力 位移延性能力计算方法 ( 静力推倒方法 公式法 ) 不再适用于高墩 ; 中 低墩位移延性能力对地震荷载频谱特性不敏感, 而地震荷载频谱特性 高阶振型 墩身质量效应 材料非线性水平等因素对高墩位移和位移延性能力均有较大影响 ; 高墩在某些频谱特性地震作用下延性储备较小, 很可能发生脆 3
性破坏 (8) 通过模型试验, 研究了高墩 ( 箱形墩的壁厚和配箍率 ) 的抗震性能 ( 图 3), 破坏形态与过程, 并与美国 Oakland 海湾大桥的异型墩的抗震性能进行了比较 根据试验结果, 提出了塑性区控制截面曲率延性与结构损伤间的关系, 为以塑性区控制截面曲率作为性能指标进行高墩的抗震性能评估和设计提供了基础 根据对抗震设计性能指标体系的研究, 考虑到墩身质量和高阶振型参与的影响, 提出采用基于控制截面曲率的抗震设计方法作为高墩桥梁的抗震设计方法 图 3 高墩模型试验 (9) 针对梁桥纵桥向固定支座不破坏和考虑固定支座破坏两种情况, 通过非线性时程分析了等墩高和变墩高桥梁纵桥向防落梁装置 ( 连梁装置和限位装置 ) 的限位效果, 分析了防落梁装置的工作原理, 并对防落梁装置的刚度进行了参数分析 结果表明 : 采用墩梁连接的限位装置可以有效减小墩 梁相对位移, 防止落梁破坏 ; 而连梁装置对减小墩 梁相对位移的效果差 ; 连梁装置和限位装置对于非固接墩 ( 不包括过渡墩 ) 的内力影响较小 当考虑支座破坏时, 现有的限位装置设计方法低估了限位装置的刚度, 本文对考虑支座破坏时连续梁桥限位装置刚度进行了参数分析, 结果表明 : 当限位装置刚度比较大时, 墩梁之间的相对离开位移逐渐趋于平稳, 这是因为限位装置需要一定的变形 ( 包括松弛量 ) 来发挥限位装置的作用 (10) 开发 X 型弹塑型阻尼器 ( 图 4), 详细推导了在单调加载下 X 型弹塑型阻尼器的设计理论, 并给出了 X 型弹塑型阻尼器的设计实例 讨论了在单调加载下 X 型弹塑型阻尼器所使用材料和几何参数对 X 型弹塑性阻尼器应变分布的影响, 对合理选取 X 型弹塑型阻尼器所使用材料和几何参数提供了参考 对 X 型弹塑型阻尼器进行了拟静力试验试验, 得出 X 型弹塑型阻尼器的试验滞回曲线和骨架曲线, 讨论了 X 型弹塑型阻尼器的破坏过程 4
力 (KN) 西部地区公路桥梁延性抗震机理与高墩抗震设计方法 减震措施研究报告简本 500 400 300 200 100 0-100 -200-300 -400-500 -80-60 -40-20 0 20 40 60 80 位移 (mm) 图 4 X 型弹塑性阻尼器回复力曲线 (11) 通过振动台试验 ( 图 5) 研究了在简谐地震运动下直接放在板式橡胶支座上梁体的运动规律 ; 通过拟静力试验和振动台试验分别测试了在单调荷载作用下和循环荷载作用下板式橡胶支座与钢板的摩擦系数以及 X 型弹塑性阻尼器和板式橡胶支座联合力 - 位移模式 对比无挡块与有挡块时质量块在板式橡胶支座上的运动特征 (a) 方案 A 图 5 模型振动台试验 (b) 方案 B (12) 分析了单墩挡块 - 支座 - 桥墩联合刚度, 给出了 X 型弹塑性阻尼器强度和初始刚度 的确定原则, 对连续梁桥 X 型弹塑性阻尼器的布置进行了参数分析 对比了弹性挡块与 X 型弹 塑性阻尼器时连续梁桥主梁和墩顶横向位移 5
3 本项目的主要创新点 (1) 提出了墩柱构件位移延性水平与残余位移 位移延性水平与卸载刚度 位移延性水平与损伤指数的定量关系, 建立了残余变形与震后可修复性之间的关系 ; (2) 改进了墩柱构件位移延性和塑性铰长度计算公式, 首次提出以构件中性轴分布特性为基础的开裂刚度研究方法, 使用 三段式 刚度分析法编制了易于使用的墩柱构件力 - 位移曲线的计算绘制程序 ; (3) 归纳了国内外相关规范和研究成果中约束箍筋含量与截面曲率延性水平之间定量关系及相关公式 塑性铰区域约束箍筋的最小配筋率及相应计算公式 ; (4) 系统研究地震作用下山区典型桥梁纵 横向地震力的分配规律和减震构造措施, 提出并建立山区典型高墩桥的抗震概念设计方法 ; (5) 首次提出采用动力方法 ( 增量动力分析 ) 结合实验研究高墩在地震作用下的损伤 破坏全过程, 研究高墩墩身质量 高阶振型和几何非线性 (P 效应 ) 对高墩性能的影响 结果表明 : 传统的中 低墩位移能力 位移延性能力计算方法 (pushover 方法 公式法 ) 不再适用于高墩 ; 中 低墩位移延性能力对地震荷载频谱特性不敏感, 而地震荷载频谱特性 高阶振型 墩身质量效应 材料非线性水平等因素对高墩位移和位移延性能力均有较大影响, 高墩在某些频谱特性地震作用下延性储备较小, 很可能发生脆性破坏 ; (6) 根据对抗震设计性能指标体系的研究, 考虑到墩身质量和高阶振型参与的影响, 提出采用基于控制截面曲率的抗震设计方法作为高墩桥梁的抗震设计方法 ; (7) 提出采用 X 型弹塑型阻尼器代替混凝土抗震挡块, 约束梁体横向位移 合理分配桥梁横向地震力的减震措施和方法 6