钢筋混凝土桥墩性能指标量化研究_陆本燕
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收稿日期 : 2010 -01-08 基金项目 : 国家自然科学基金项目( 51078037) ; 教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目( 20090205120008) 作者简介 : 陆本燕( 1981) , 男 , 甘肃兰州人 , 工学博士研究生 , E -mail : lu yan726 @126 . com 。
钢筋混凝土桥墩性能指标量化研究
陆本燕 , 刘伯权 , 刘 鸣 , 邢国华 , 吴 涛
( 长安大学 建筑工程学院 , 陕西 西安 710061)
摘要 : 根据钢筋混凝土桥墩的破坏特点和桥梁结构基于性能抗震设计的需要 , 将钢筋混凝土桥墩性 能水平划分为正常使用 、 暂时使用 、 修复后使用 、 生命安全和防止倒塌 5 个性能水平 , 并结合各国相 关研究成果 , 从社会经济角度 , 建立了桥梁结构震害定性决策标准 ; 从震后现场震害评估角度 , 建立 了钢筋混凝土桥墩现场震害评估调查性能量化标准 。 在分析各国 127 个以发生弯曲破坏为主的钢 筋混凝土圆形截面桥墩试验研究的基础上 , 从工程设计角度 , 以位移角为性能参数 , 提出了钢筋混 凝土桥墩在地震作用下处于 5 个性能水平的量化指标 , 并与新西兰 、 日本和美国加州等设计规范中 的相关规定进行比较 。 结果表明 : 建议的不同性能水平下钢筋混凝土桥墩的位移角限值是合理的 , 可用于基于性能抗震设计时桥墩墩顶位移的确定 。 关键词 : 桥梁工程 ; 钢筋混凝土桥墩 ; 统计分析 ; 位移角 ; 抗震设计 ; 性能水平 中图分类号 : U442 . 55 文献标志码 : A
第 23 卷 第 6 期 2010 年 11 月
文章编号 : 1001 -7372( 2010) 06 - 0049 -09
中 国 公 路 学 报
C hina Journal of Highw ay and T ransport
V ol . 23 No . 6 N ov . 2010
[ 7]
1
桥墩性能水平分类
结构的抗震性能水平[ 8] 表示结构在特定的某一
2Leabharlann 结构性能曲线在基于性能的抗震设计理论中 , 结构性能的量
地震设计水平下预期破坏的最大程度 , 包括结构和 非结构构件的破坏 。 不同国家对于结构性能水平的 划分不同 , 中国现行建筑抗震设计规范将其分为 3 档 , 文献[ 1] 中则将其划分为 4 档 , H ose 等
50 desig n ; perfo rmance level
中 国 公 路 学 报 2010 年
0
引 言
震后灾害调查表明 , 对于大多数经过抗震设计
随着社会经济水平的不断提高 , 工程抗震加固需求 的不断增长 , 结构震后修复和加固技术的不断成熟 以及近年来地震造成的巨大经济损失 , 人们意识到 在不同水平地震作用下结构抗 震性能量化的 重要 性 。 而这些因素为更进一步量化基于性能的抗震设 计提供了可行性依据 。 因此 , 本文中结合已有的研 究成果将钢筋混凝土桥墩的性能水平划分为 5 档 , 依次为正常使用 、暂时使用 、 修复后使用 、生命安全 和防止倒塌 。 社会分工不同对工程抗震有不同的理 解和认 识 , 因此 , 在结构抗震性能水平的定性或者定量描述 中 , 研究者需要考虑这些因素 。 本文中结合各国相 关研究成果 , 从社会经济 、 震后现场震害评估调查和 工程设计角度对桥墩性能水平进行量化 。 业主和政 府主管部门需要明确震前 、 震后结构抗震性能 , 为结 构合理的投资决策提供依据 , 故本文中从损伤分类 、 损伤描述 、 需要修复时间 、 需要修复程度以及社会经 济角度对桥梁结构进行定性量化 , 给出如表 1 所示 的 5 档性能水平 。 地震发生之后迅速的抗震救援机制对于减轻震 害损失 、 减少人员伤亡具有关键作用 。 然而 , 首先需 要对处于生命线工程的桥梁进行迅速 、合理的现场 震后评估调查 , 判断其受损状态 , 为救援工作顺利进 行提供保障 。 合理的震害现场性能水平定性和定量 描述对于现场震害调查 、评估人员确定桥梁结构能 否继续运行至关重要 。 因此 , 本文中在结合各国钢 筋混凝土桥墩震后调查和试验研究的基础上 , 给出 如表 2 所示适用于桥墩震后现场评估调查的性能水 平量化标准 。 业主和政府主管部门可以利用表 1 明确掌握结 构震前 、 震后性能状态 。 现场震害评估 、 调查人员可 以通过表 2 迅速判断钢筋混凝土桥墩破坏程度 , 为 抗震救援赢得时间 。 图 1 为试验中典型的以弯曲破 坏为主的钢筋混凝土圆形桥墩在 5 个性能水平下的 破坏程度 。
Quantitative Research on Reinforced Concrete Performance Index of Reinforced Concrete Bridge Column
L U Ben-yan , LIU Bo-quan , L IU M ing , XING Guo-hua , WU T ao
1
<3 d <3 周 <6 周
暂时使用 修复后 使用 生命安全
4
<3 个月
防止倒塌
表2 Tab . 2
类别 性能水平 Ⅰ 开裂
桥墩性能水平
Performance Levels of Bridge Column
( Scho ol of Civil Engineering , Chang an Univ ersity , Xi an 710061 , Shaanxi , China)
Abstract : According t o the f ailure characteristics o f reinfo rced concret e ( RC )bridge columns and t he need of perfo rmance on t he basis of anti-seismic design in bri dge , RC bridg e co lum n pe rf o rm ance levels , i . e. f ull operation , t em po rary operat ion , reparable operat ion , lif e safet y , and collapse prevention w ere establi shed . Co mbi ned wi th research achievement at home and abroad , quant ita tive deci sion indexes of bridge st ruct ure failure w ere est ablished f rom poi nt o f view of socio-eco nomics . Based on field invest igatio ns f ollow ing a seismic event , quanti tative indexes of perf ormance levels f or f ield sei smic disast er inve stig atio n of RC bridge colum n w ere proposed . Based o n the stati st ical data o f 127 seismic pe rf o rm ance test s of RC bri dge columns w it h ci rcular section subjected to flex ural f ai lure , reg arded drif t rat io as perfo rmance paramet ers , quantit ative indexe s f o r t he five desig nat ed perf ormance levels w ere put f orw ard .T he indexes w ere com pared w it h t he provisio ns among New Zealand standard , Japan design code , and Cali fo rnia design code . T he resul ts show t hat the drif t rat ios of RC bri dge column w it h dif fe rent pe rf o rm ance levels are reasonable w hi ch can be used t o determi ne di splacem ent of column t op o n t he basi s o f ant i-seismic desig n . Key words : bridge engineering ; RC bridge column ; st atistical analy sis ; drif t ratio ; anit i-seismic
表1 Tab. 1
类别 总体 描述 功能 完好 轻微 2 破坏 较重 3 破坏 严重 破坏 接近 5 倒塌
51
桥梁结构性能水平
Performance Levels of Bridge Structure
损伤描述 几乎没有 可见裂缝 混凝土出现 裂缝 裂缝宽度增大 , 混凝土开始剥落 裂缝宽度非常大 , 混凝土剥落区扩展 构件出现残余变形 , 钢筋屈曲或断裂 中断 时间 无中断 修复 描述 不需 修复 可能 修复 少量 修复 需要 修复 需要 替换 社会经济 性描述 正常使用
的结构 , 人员伤亡相对较少 , 但巨大的经济损失却远 远超过了人们的心理承受能力 。 研究者意识到单纯 地强调结构在地震作用下不倒塌或者不发生严重破 坏已不能满足现代工程抗震需要 , 因此 , 基于性能的 抗震设计理论被提出并被广泛认可 。 业主 、 政府主 管部门 、 工程建设者和设计者更加关注结构在不同 地震水平作用 下应具有不同的性能水 平和性能目 标 。 国外规范[ 1-4] 对性能目标和抗震设计量化指标 给出了比较详细的规定 , 与此同时中国现行建筑抗 震设计规范[ 5] 对“ 小震不坏”和“ 大震不倒” 给出了相 应的变形限值 , 中国 《公路桥梁抗震设计细则 》[ 6] 虽 在性能设计方面较已废止的《公路工程抗震设计规 范》 有了较大改进 , 即由单水准设防 、一阶段设计 变为两水准设防 、两阶段设计 , 采用 E1 地震作用下 强度验算和 E2 地震作用下变形验算确保结构抗震 性能 , 然而 , 缺少能为抗震设计采用的更为详细的性 能目标和性能量化指标 。 鉴于桥梁特别是城市桥梁的重要性 , 在基于性 能抗震设计思想的发展过程中对其提出了更高 、更 细致的设计要求 。 然而 , 相对于国外桥梁结构和中 国建筑结构来说 , 基于性能抗震设计的理论在中国 桥梁结构的应用和发展较为缓慢 。 震害经验表明 : 钢筋混凝土桥梁的破坏往往发生在桥墩部位 , 作为 整个桥梁结构重要的受力构件 , 桥墩的设计对于桥 梁结构抗震能力具有举足轻重的作用 。 基于以上原 因 , 本文中在已有研究成果的基础上 , 从社会经济角 度 , 建立桥梁结构震害定性决策标准 ; 从震后现场震 害评估调查角度 , 建立钢筋混凝土桥墩现场震害评 估调查性能量化标准 ; 从工程设计角度 , 提出基于位 移抗震设 计中 钢 筋混 凝 土桥 墩 性能 水 平 的量 化 指标 。
[ 9]
化指标可以用一个或者多个性能参数来定义 , 可选 用的性能参数有 : 力、 变形 、 延性 、 曲率 、等效阻尼比 、 有效刚度 、 能量等 。 根据选用性能参数的不同 , 研究 者可以定义不同的性能量化指标表达方式 。
根据桥
梁结构和构件的破坏特点将性能水平划分为 5 档 。
第 6 期 陆本燕 , 等 : 钢筋混凝土桥墩性能指标量化研究
因此类别性能水帄性能水帄定性描述性能水帄定量描述开裂发丝状的裂缝首次出现几乎没有可见裂缝屈服纵向钢筋理论首次屈服裂缝宽度小于开始形成局部机构开始出现非弹性变形对角线裂缝开展裂缝宽度在mm之间剥落区高度大于横截面高度的完全形成局部机构裂缝宽度非常大混凝土剥落超过局部机构区域裂缝宽对角线裂缝延伸长度超过强度退化纵向钢筋屈曲截面尺寸类别总体描述损伤描述中断时间修复描述社会经济性描述功能完好几乎没有可见裂缝无中断不需修复正常使用轻微破坏混凝土出现裂缝可能修复暂时使用较重破坏裂缝宽度增大少量修复修复后使用严重破坏裂缝宽度非常大需要修复生命安全接近倒塌构件出现残余变形个月需要替换防止倒塌52结构性能曲线fig
钢筋混凝土桥墩性能指标量化研究
陆本燕 , 刘伯权 , 刘 鸣 , 邢国华 , 吴 涛
( 长安大学 建筑工程学院 , 陕西 西安 710061)
摘要 : 根据钢筋混凝土桥墩的破坏特点和桥梁结构基于性能抗震设计的需要 , 将钢筋混凝土桥墩性 能水平划分为正常使用 、 暂时使用 、 修复后使用 、 生命安全和防止倒塌 5 个性能水平 , 并结合各国相 关研究成果 , 从社会经济角度 , 建立了桥梁结构震害定性决策标准 ; 从震后现场震害评估角度 , 建立 了钢筋混凝土桥墩现场震害评估调查性能量化标准 。 在分析各国 127 个以发生弯曲破坏为主的钢 筋混凝土圆形截面桥墩试验研究的基础上 , 从工程设计角度 , 以位移角为性能参数 , 提出了钢筋混 凝土桥墩在地震作用下处于 5 个性能水平的量化指标 , 并与新西兰 、 日本和美国加州等设计规范中 的相关规定进行比较 。 结果表明 : 建议的不同性能水平下钢筋混凝土桥墩的位移角限值是合理的 , 可用于基于性能抗震设计时桥墩墩顶位移的确定 。 关键词 : 桥梁工程 ; 钢筋混凝土桥墩 ; 统计分析 ; 位移角 ; 抗震设计 ; 性能水平 中图分类号 : U442 . 55 文献标志码 : A
第 23 卷 第 6 期 2010 年 11 月
文章编号 : 1001 -7372( 2010) 06 - 0049 -09
中 国 公 路 学 报
C hina Journal of Highw ay and T ransport
V ol . 23 No . 6 N ov . 2010
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桥墩性能水平分类
结构的抗震性能水平[ 8] 表示结构在特定的某一
2Leabharlann 结构性能曲线在基于性能的抗震设计理论中 , 结构性能的量
地震设计水平下预期破坏的最大程度 , 包括结构和 非结构构件的破坏 。 不同国家对于结构性能水平的 划分不同 , 中国现行建筑抗震设计规范将其分为 3 档 , 文献[ 1] 中则将其划分为 4 档 , H ose 等
50 desig n ; perfo rmance level
中 国 公 路 学 报 2010 年
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引 言
震后灾害调查表明 , 对于大多数经过抗震设计
随着社会经济水平的不断提高 , 工程抗震加固需求 的不断增长 , 结构震后修复和加固技术的不断成熟 以及近年来地震造成的巨大经济损失 , 人们意识到 在不同水平地震作用下结构抗 震性能量化的 重要 性 。 而这些因素为更进一步量化基于性能的抗震设 计提供了可行性依据 。 因此 , 本文中结合已有的研 究成果将钢筋混凝土桥墩的性能水平划分为 5 档 , 依次为正常使用 、暂时使用 、 修复后使用 、生命安全 和防止倒塌 。 社会分工不同对工程抗震有不同的理 解和认 识 , 因此 , 在结构抗震性能水平的定性或者定量描述 中 , 研究者需要考虑这些因素 。 本文中结合各国相 关研究成果 , 从社会经济 、 震后现场震害评估调查和 工程设计角度对桥墩性能水平进行量化 。 业主和政 府主管部门需要明确震前 、 震后结构抗震性能 , 为结 构合理的投资决策提供依据 , 故本文中从损伤分类 、 损伤描述 、 需要修复时间 、 需要修复程度以及社会经 济角度对桥梁结构进行定性量化 , 给出如表 1 所示 的 5 档性能水平 。 地震发生之后迅速的抗震救援机制对于减轻震 害损失 、 减少人员伤亡具有关键作用 。 然而 , 首先需 要对处于生命线工程的桥梁进行迅速 、合理的现场 震后评估调查 , 判断其受损状态 , 为救援工作顺利进 行提供保障 。 合理的震害现场性能水平定性和定量 描述对于现场震害调查 、评估人员确定桥梁结构能 否继续运行至关重要 。 因此 , 本文中在结合各国钢 筋混凝土桥墩震后调查和试验研究的基础上 , 给出 如表 2 所示适用于桥墩震后现场评估调查的性能水 平量化标准 。 业主和政府主管部门可以利用表 1 明确掌握结 构震前 、 震后性能状态 。 现场震害评估 、 调查人员可 以通过表 2 迅速判断钢筋混凝土桥墩破坏程度 , 为 抗震救援赢得时间 。 图 1 为试验中典型的以弯曲破 坏为主的钢筋混凝土圆形桥墩在 5 个性能水平下的 破坏程度 。
Quantitative Research on Reinforced Concrete Performance Index of Reinforced Concrete Bridge Column
L U Ben-yan , LIU Bo-quan , L IU M ing , XING Guo-hua , WU T ao
1
<3 d <3 周 <6 周
暂时使用 修复后 使用 生命安全
4
<3 个月
防止倒塌
表2 Tab . 2
类别 性能水平 Ⅰ 开裂
桥墩性能水平
Performance Levels of Bridge Column
( Scho ol of Civil Engineering , Chang an Univ ersity , Xi an 710061 , Shaanxi , China)
Abstract : According t o the f ailure characteristics o f reinfo rced concret e ( RC )bridge columns and t he need of perfo rmance on t he basis of anti-seismic design in bri dge , RC bridg e co lum n pe rf o rm ance levels , i . e. f ull operation , t em po rary operat ion , reparable operat ion , lif e safet y , and collapse prevention w ere establi shed . Co mbi ned wi th research achievement at home and abroad , quant ita tive deci sion indexes of bridge st ruct ure failure w ere est ablished f rom poi nt o f view of socio-eco nomics . Based on field invest igatio ns f ollow ing a seismic event , quanti tative indexes of perf ormance levels f or f ield sei smic disast er inve stig atio n of RC bridge colum n w ere proposed . Based o n the stati st ical data o f 127 seismic pe rf o rm ance test s of RC bri dge columns w it h ci rcular section subjected to flex ural f ai lure , reg arded drif t rat io as perfo rmance paramet ers , quantit ative indexe s f o r t he five desig nat ed perf ormance levels w ere put f orw ard .T he indexes w ere com pared w it h t he provisio ns among New Zealand standard , Japan design code , and Cali fo rnia design code . T he resul ts show t hat the drif t rat ios of RC bri dge column w it h dif fe rent pe rf o rm ance levels are reasonable w hi ch can be used t o determi ne di splacem ent of column t op o n t he basi s o f ant i-seismic desig n . Key words : bridge engineering ; RC bridge column ; st atistical analy sis ; drif t ratio ; anit i-seismic
表1 Tab. 1
类别 总体 描述 功能 完好 轻微 2 破坏 较重 3 破坏 严重 破坏 接近 5 倒塌
51
桥梁结构性能水平
Performance Levels of Bridge Structure
损伤描述 几乎没有 可见裂缝 混凝土出现 裂缝 裂缝宽度增大 , 混凝土开始剥落 裂缝宽度非常大 , 混凝土剥落区扩展 构件出现残余变形 , 钢筋屈曲或断裂 中断 时间 无中断 修复 描述 不需 修复 可能 修复 少量 修复 需要 修复 需要 替换 社会经济 性描述 正常使用
的结构 , 人员伤亡相对较少 , 但巨大的经济损失却远 远超过了人们的心理承受能力 。 研究者意识到单纯 地强调结构在地震作用下不倒塌或者不发生严重破 坏已不能满足现代工程抗震需要 , 因此 , 基于性能的 抗震设计理论被提出并被广泛认可 。 业主 、 政府主 管部门 、 工程建设者和设计者更加关注结构在不同 地震水平作用 下应具有不同的性能水 平和性能目 标 。 国外规范[ 1-4] 对性能目标和抗震设计量化指标 给出了比较详细的规定 , 与此同时中国现行建筑抗 震设计规范[ 5] 对“ 小震不坏”和“ 大震不倒” 给出了相 应的变形限值 , 中国 《公路桥梁抗震设计细则 》[ 6] 虽 在性能设计方面较已废止的《公路工程抗震设计规 范》 有了较大改进 , 即由单水准设防 、一阶段设计 变为两水准设防 、两阶段设计 , 采用 E1 地震作用下 强度验算和 E2 地震作用下变形验算确保结构抗震 性能 , 然而 , 缺少能为抗震设计采用的更为详细的性 能目标和性能量化指标 。 鉴于桥梁特别是城市桥梁的重要性 , 在基于性 能抗震设计思想的发展过程中对其提出了更高 、更 细致的设计要求 。 然而 , 相对于国外桥梁结构和中 国建筑结构来说 , 基于性能抗震设计的理论在中国 桥梁结构的应用和发展较为缓慢 。 震害经验表明 : 钢筋混凝土桥梁的破坏往往发生在桥墩部位 , 作为 整个桥梁结构重要的受力构件 , 桥墩的设计对于桥 梁结构抗震能力具有举足轻重的作用 。 基于以上原 因 , 本文中在已有研究成果的基础上 , 从社会经济角 度 , 建立桥梁结构震害定性决策标准 ; 从震后现场震 害评估调查角度 , 建立钢筋混凝土桥墩现场震害评 估调查性能量化标准 ; 从工程设计角度 , 提出基于位 移抗震设 计中 钢 筋混 凝 土桥 墩 性能 水 平 的量 化 指标 。
[ 9]
化指标可以用一个或者多个性能参数来定义 , 可选 用的性能参数有 : 力、 变形 、 延性 、 曲率 、等效阻尼比 、 有效刚度 、 能量等 。 根据选用性能参数的不同 , 研究 者可以定义不同的性能量化指标表达方式 。
根据桥
梁结构和构件的破坏特点将性能水平划分为 5 档 。
第 6 期 陆本燕 , 等 : 钢筋混凝土桥墩性能指标量化研究
因此类别性能水帄性能水帄定性描述性能水帄定量描述开裂发丝状的裂缝首次出现几乎没有可见裂缝屈服纵向钢筋理论首次屈服裂缝宽度小于开始形成局部机构开始出现非弹性变形对角线裂缝开展裂缝宽度在mm之间剥落区高度大于横截面高度的完全形成局部机构裂缝宽度非常大混凝土剥落超过局部机构区域裂缝宽对角线裂缝延伸长度超过强度退化纵向钢筋屈曲截面尺寸类别总体描述损伤描述中断时间修复描述社会经济性描述功能完好几乎没有可见裂缝无中断不需修复正常使用轻微破坏混凝土出现裂缝可能修复暂时使用较重破坏裂缝宽度增大少量修复修复后使用严重破坏裂缝宽度非常大需要修复生命安全接近倒塌构件出现残余变形个月需要替换防止倒塌52结构性能曲线fig