钢筋混凝土桥墩性能指标量化研究
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第 23 卷 第 6 期 2010 年 11 月
中国公路学报
China Journal of H ighw ay and 来自百度文库 ransport
V ol. 23 No. 6 N ov. 2010
文章编号: 1001 7372( 2010) 06 0049 09
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
第6期
陆本燕, 等: 钢筋混凝土桥墩性能指标量化研究
51
表 1 桥梁结构性能水平
Tab. 1 Performance Levels of Bridge Structure
总体 类别
描述
损伤描述
中断 时间
修复 社会经济 描述 性描述
功能 1
完好
几乎没有 可见裂缝
不需
无中断
正常使用
修复
轻微 2 破坏
混凝土出现 裂缝
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。
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。
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。
50 desig n; per for mance 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 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∀[ 7] 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。
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。
2 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 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。
L U Ben yan, L IU Bo quan, L IU M ing, XING Guo hua, WU T ao
( Scho ol of Civil Engineer ing , Chang an U niv ersity , X i an 710061, Shaanx i, China)
Abstract: According t o t he f ailure characterist ics o f r einfo rced concr et e ( RC) br idge columns and t he need of per for mance on t he basis of ant i seism ic design in bridge, RC bridg e co lum n perf orm ance levels, i. e. f ull operat ion, t em po rar y operat ion, reparable operat ion, lif e safet y, and collapse prevent ion w ere est ablished. Co mbined w ith resear ch achievement at home and abroad, quant itat ive decision indexes of bridg e st ruct ure failure w ere est ablished f rom po int o f view of socio econom ics. Based on f ield invest igat io ns f ollow ing a seismic ev ent , quantit at iv e indexes of perf ormance levels f or f ield seismic disast er inv est ig ation of RC bridge colum n w er e proposed. Based on t he st at ist ical dat a o f 127 seismic perf orm ance tests of RC bridge columns w it h circular sect ion subjected to flex ural f ailur e, reg arded drift rat io as perfo rmance paramet er s, quant it ative index es f or t he f iv e 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 N ew Zealand standard, Japan design code, and Califor nia design code. T he result s show t hat t he dr if t rat ios of RC bridge column w it h dif f erent perf orm ance levels are reasonable w hich can be used t o determ ine displacem ent of column t op o n t he basis o f ant i seismic desig n. Key words: bridge engineering; RC bridge column; st at ist ical analysis; dr if t rat io ; anit i seismic
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
Quantitative Research on Reinforced Concrete Performance Index of Reinforced Concrete Bridge Column
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 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[ 9] 根据桥 梁结构和构件的破坏特点将性能水平划分为 5 档。
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。
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 。
类别 性能水平 性能水平定性描述
# 开裂
发丝状的裂缝 首次出现
∃ 屈服
纵向钢筋理论 首次屈服
开始出现非弹性变形, 开始形成 % 局部机构 混凝土开始剥落,
对角线裂缝开展
性能水平定量描述 几乎没有可见裂缝
裂缝宽度小于 1 mm 裂缝宽 度在 1 ~ 2 mm 之间, 剥落区 高度大于 横截面高度的 1/ 10
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 度大 于 2 mm, 剥 落 区高 度 大于 横截 面 高度的 1/ 2, 对 角线 裂缝延伸长度超过 2/ 3 横截面高度
∋ 强度退化
纵向钢筋屈曲, 水平箍筋断裂, 核心混凝土压碎
< 3d
可能 暂时使用
修复
较重 3
破坏
裂缝宽度增大, 混凝土开始剥落
< 3周
少量 修复
修复后 使用
严重 4
裂缝宽度非常大,
需要
< 6周
生命安全
破坏 混凝土剥落区扩展
修复
接近 构件出现残余变形,
需要
5 倒塌
钢筋屈曲或断裂 < 3 个月 替换 防止倒塌
表 2 桥墩性能水平 Tab. 2 Perf ormance Levels of Bridge Column
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。
( 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
中国公路学报
China Journal of H ighw ay and 来自百度文库 ransport
V ol. 23 No. 6 N ov. 2010
文章编号: 1001 7372( 2010) 06 0049 09
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
第6期
陆本燕, 等: 钢筋混凝土桥墩性能指标量化研究
51
表 1 桥梁结构性能水平
Tab. 1 Performance Levels of Bridge Structure
总体 类别
描述
损伤描述
中断 时间
修复 社会经济 描述 性描述
功能 1
完好
几乎没有 可见裂缝
不需
无中断
正常使用
修复
轻微 2 破坏
混凝土出现 裂缝
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。
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。
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。
50 desig n; per for mance 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 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∀[ 7] 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。
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。
2 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 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。
L U Ben yan, L IU Bo quan, L IU M ing, XING Guo hua, WU T ao
( Scho ol of Civil Engineer ing , Chang an U niv ersity , X i an 710061, Shaanx i, China)
Abstract: According t o t he f ailure characterist ics o f r einfo rced concr et e ( RC) br idge columns and t he need of per for mance on t he basis of ant i seism ic design in bridge, RC bridg e co lum n perf orm ance levels, i. e. f ull operat ion, t em po rar y operat ion, reparable operat ion, lif e safet y, and collapse prevent ion w ere est ablished. Co mbined w ith resear ch achievement at home and abroad, quant itat ive decision indexes of bridg e st ruct ure failure w ere est ablished f rom po int o f view of socio econom ics. Based on f ield invest igat io ns f ollow ing a seismic ev ent , quantit at iv e indexes of perf ormance levels f or f ield seismic disast er inv est ig ation of RC bridge colum n w er e proposed. Based on t he st at ist ical dat a o f 127 seismic perf orm ance tests of RC bridge columns w it h circular sect ion subjected to flex ural f ailur e, reg arded drift rat io as perfo rmance paramet er s, quant it ative index es f or t he f iv e 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 N ew Zealand standard, Japan design code, and Califor nia design code. T he result s show t hat t he dr if t rat ios of RC bridge column w it h dif f erent perf orm ance levels are reasonable w hich can be used t o determ ine displacem ent of column t op o n t he basis o f ant i seismic desig n. Key words: bridge engineering; RC bridge column; st at ist ical analysis; dr if t rat io ; anit i seismic
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
Quantitative Research on Reinforced Concrete Performance Index of Reinforced Concrete Bridge Column
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 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[ 9] 根据桥 梁结构和构件的破坏特点将性能水平划分为 5 档。
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。
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 。
类别 性能水平 性能水平定性描述
# 开裂
发丝状的裂缝 首次出现
∃ 屈服
纵向钢筋理论 首次屈服
开始出现非弹性变形, 开始形成 % 局部机构 混凝土开始剥落,
对角线裂缝开展
性能水平定量描述 几乎没有可见裂缝
裂缝宽度小于 1 mm 裂缝宽 度在 1 ~ 2 mm 之间, 剥落区 高度大于 横截面高度的 1/ 10
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 度大 于 2 mm, 剥 落 区高 度 大于 横截 面 高度的 1/ 2, 对 角线 裂缝延伸长度超过 2/ 3 横截面高度
∋ 强度退化
纵向钢筋屈曲, 水平箍筋断裂, 核心混凝土压碎
< 3d
可能 暂时使用
修复
较重 3
破坏
裂缝宽度增大, 混凝土开始剥落
< 3周
少量 修复
修复后 使用
严重 4
裂缝宽度非常大,
需要
< 6周
生命安全
破坏 混凝土剥落区扩展
修复
接近 构件出现残余变形,
需要
5 倒塌
钢筋屈曲或断裂 < 3 个月 替换 防止倒塌
表 2 桥墩性能水平 Tab. 2 Perf ormance Levels of Bridge Column
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。
( 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