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第118期 基于韧性理论的城市高架桥抗震提升研究

2021-3-12 15:10
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【52监测网】第118期 基于韧性理论的城市高架桥抗震提升研究

第115期 驭势而智 人悦其行

52监测网专家报告分享-第118期

《基于韧性理论的城市高架桥抗震提升研究》
王威 / 西安建筑科技大学

目录

一、韧性抗震理论
二、桥梁结构抗震韧性提升方法
三、桥梁结构抗震韧性评定方法
四、小结

内容介绍

一、韧性抗震理论

基于韧性抗震的设计理论是灾害防御及城市可持续发展的新理念,是基于性能抗震理论的发展和延伸。结构韧性不再只关注工程结构的地震响应及损失,更关心结构的震后功能恢复、修复费用及功能停滞所造成的经济损失。


二、桥梁结构抗震韧性提升方法

1.新型韧性材料

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)是一种具有超弹性特性和形状记忆效应的重要智能材料。利用SMA材料制作的被动阻尼器具有抗疲劳性好、抗腐蚀强、可恢复变形大及性能较稳定等优点。赵清杰提出用SMA材料制作高架桥梁的限位装置。


2.减震隔震装置

桥梁结构控制着人类社会的交流与往来。然而在历次灾害中,桥梁结构毁坏严重。通过分析桥梁结构的破坏情况,为了减少震灾对桥梁的影响,开发了一系列桥梁减隔震装置

石岩等人提出在原有的基于性能的抗震设计方法的基础上还应该考虑环境和时间效应的影响,而且要重视减震装置的位移与桥梁实际间隙的匹配问题。同时他也提出“自复位、低损伤、可控制及震后快速恢复”将成为一种新型的韧性设计理念。

金属阻尼器构造简单,力学性能明确,通过合理的设计能够满足桥梁结构抗震性能要求。王威等提出一种新型的波形钢板阻尼器,如图3所示,并在此基础上进一步提出了一种新型的波形反对称软钢阻尼器,图4为阻尼器最终破坏形态,经过有限元分析后通过实验对比验证了分析的合理性。


随着技术的发展,我们对桥梁抗震性能的要求也越来越高,从而出现了越来越多的减震隔震装置,李晓莉等提出了一种在高烈度临近断层位置桥梁的减震系统,如图5。袁万城等提出了一种新型的缓冲型拉索减震支座,如图6。


3.新型结构韧性体系

根据对桥梁震害的调查统计,表明梁式桥结构体系在发生地震时容易发生支座破坏、桥墩产生塑性角严重时甚至发生落梁等震害。所以研发新的桥梁抗震体系就尤为重要。何维利等在基于桥梁结构抗震性能理论的研究下,研发了一种无支座自复位桥梁结构体系。张泽亮提出了一种桥梁自复位防屈曲耗能支撑结构,如图7所示,可以通过自复位系统来消除结构的残余变形,同时实现地震耗能和减少残余变形,大幅提高桥梁的抗震性能。


三、桥梁结构抗震韧性评定方法

针对桥梁结构体系,所实施的韧性抗震方法,能将结构的抗震韧性提升多少,需要采取综合的量化评定方法。参照桥梁结构地震易损性分析方法,提出了韧性桥梁结构抗震性能量化评定方法。

1.构件重要性系数

桥梁结构主要受力构件包含桥面、梁体、支座、墩台基础等。结构中一个构件的破坏对结构造成的影响,说明该构件的重要性越大。通过计算构件的冗余度,得到构件的重要性系数。

2.构件损伤指标

结构的损伤指标是衡量桥梁结构在地震作用下的损伤状态。对于不同的构件,须采用不同损伤指标。不同构件的损伤指标汇总如表1。

表1 桥梁构件损伤指标汇总表

3.破坏准则损伤

为了确定结构破坏状态与已建立的损伤指标之间的关系,需要确定结构构件的破坏准则。根据《生命线工程破坏等级划分:GB/T 24336-2009》,将结构的破坏状态划分为五个等级:基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、毁坏。每个阶段对应不同构件的损伤指标范围。

4.损伤指数

破坏准则规定了结构破坏的范围,但是破坏范围内,结构的损坏水平也是不同的,为了进一步精确表示结构在给定地震水平下的损伤状况,需要增加损伤指数DI的参数定义,范围为从0到1,0表示构件无损伤,1表示构件完全损伤。损伤指数的计算方法是基于地震易损伤性分析,得到各破坏状态对应的超越概率及发生概率,将每个破坏状态对应的发生概率乘以相应度量系数最后求和,最后根据构件的重要性系数分配权重,得到结构的损伤指数,见公式。


5.功能修复时间

桥梁结构震后快速恢复,是体现桥梁抗震韧性的突出特点。桥梁结构的震后功能损失及恢复过程可用功能恢复曲线来表示,如下图。常用的功能恢复曲线包括四种:线性恢复、三角函数型恢复、指数型恢复、水平串联恢复。根据不同桥梁结构的特点,选择合适的功能恢复曲线,对应曲线如下。


6.桥梁结构抗震韧性评定流程

在对地震韧性的相关指标确定后,给出了桥梁结构的地震韧性评定流程,具体如图8。

图8 桥梁结构抗震韧性评定等级

四、小结

韧性理论的提出,对完善现有抗震设计理论及未来桥梁结构形态提供了新的视角和参考。对桥梁等重要结构的抗震设计,将基于韧性理论从保证基本生命安全,向保证生命财产双重安全以及更高的使用功能安全方面转变。

建立桥梁结构抗震韧性提升方法,并实现对桥梁抗震韧性的科学评估,可以有效提升桥梁的防震减灾能力并从根本上保证我国交通运输系统的稳定性。

虽然现代减隔震技术及结构控制技术已经在工程抗震实践中得到大量应用并获得了验证,但现行的韧性理论仍多为广义的设计理念。如何把韧性理论落到实处,如何量化抗震韧性水平,将是今后急需研究和解决的问题。

《基于韧性理论的城市高架桥抗震提升研究》
王威 / 西安建筑科技大学

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