论文摘要
基于对现代地震经验和教训的深刻反思,美国学者于20世纪90年代初提出了基于性能的抗震设计理论,这是工程抗震发展史上的一个重要里程碑。基于性能的抗震设计的目的是将所设计的结构在受到不同水平地震作用下的性能达到一组预期的性能目标;它使抗震设计目标由传统的以生命安全为单一设防目标转为考虑生命安全与财产损失两方面的具体要求,强调了“个性”设计。高架桥是现代化大城市的立体交通网络中关键的基础设施,随着城市现代化的发展,在城市生命线工程中占有越来越重要的地位。本文在对城市高架桥的抗震设防水准、性能水准和基于性能抗震设计理论弹性设计等方面的简单探讨基础上,以桥墩顶点位移延性系数为设计参数,建立了一套完整的基于性能抗震设计理论的抗震设计方法,并着重研究了几个相关的关键性问题。1.提出了城市高架桥的抗震设防水准的建议值和高架桥重要性分类标准,并采纳改变设计基准期的方法来体现重要性的差别;提出了城市高架桥的5级性能水准和4个性能目标,确定采用桥墩顶点的位移延性系数作为性能指标;对常规城市高架桥推导了桥墩位移延性系数、破损指标与性能水准的对应关系。2.根据各个重要性等级下各级抗震设防水准下的超越概率,推导了地震影响系数最大值αmax的具体数值,并制作成表格,可用于基于性能的结构弹性阶段的设计,为设计人员提供了更广泛更灵活的选择。3.选取了434条地震波,按《双层城市高架桥抗震设计指南》关于场地类别和地震动特征周期分区的要求分为12组,对大量具有不同屈服强度系数的单自由度体系在进行了弹塑性时程分析,求得了延性需求谱和基于Ay-Dy格式的地震需求谱,并探讨了阻尼比对延性需求谱的影响。研究表明:两种需求谱与结构的强度水平、自振周期有关;阻尼比影响系数与结构的阻尼比、自振周期有关;以上两种需求谱和阻尼比影响系数都受场地类别和地震动特征周期分区等因素的显著影响。通过非线性回归分析,建立了考虑场地类别和地震动特征周期分区等因素的两种需求谱和阻尼比影响系数的数学表达式,其成果可供基于《双层高架桥抗震设计指南》和《城市桥梁抗震设计规范》的高架桥弹塑性阶段设计和相关研究直接使用。特别是Ay-Dy格式的地震需求谱,具有如下性质:过原点的射线与屈服强度系数的需求谱曲线相交,各交点对应的周期都相同,这为实现考虑多级性能目标的基于位移的结构抗震设计提供了便利。4.从5个独立桥墩和6个全桥结构在十几条地震记录作用下的弹塑性时程分析入手,对桥梁结构Push-over分析采用的水平加载模式进行了研究。分析结果表明:对于规则（长细比大于2.5小于10）独立桥墩,采用基于位移的水平加载模式对桥墩进行Push-over分析比基于水平力模式更加合理;桥墩的位移模式由第1模态振型确定,并可简化为桥墩顶部重心处施加一个位移的方式。对于全桥结构,通过对桥梁上部结构位移、桥墩顶点位移和桥墩底部剪力等指标分布规律的分析,得到全桥结构Push-over分析的水平加载模式可采纳在上部结构（各桥墩对应点处）重心处施加水平位移的方式,全桥结构的位移模式由上部结构的模态振型（组合）确定。5.结合求得的延性需求谱和Ay-Dy格式的地震需求谱的数学表达式,提出了结构非线性位移反应的简化求解方法——弹塑性需求谱法。在阐述了弹塑性需求谱法的理论依据基础上,提出用该方法计算桥梁结构弹塑性位移的具体步骤:首先借助模态Push-over分析,将非线性多自由度体系分解为多个独立的非线性单自由度体系及确定有关参数;运用基于Ay-Dy格式的地震需求谱的特点,确定结构在不同模态各级地震作用下的屈服强度系数;根据延性需求谱,确定位移延性系数并得到等效单自由度体系的位移,最后将结果转化为多自由度体系,并进行组合。6.从Mander等人给出的约束应力——应变的本构关系出发,通过一系列的假定,得出了矩形、圆形截面桥墩力学配箍率ωw、轴压比ηk和曲率延性系数μφ之间的关系表达式——桥墩的变形能力公式;将之与25组试验数据进行对比,本文公式与试验结果在平均意义上吻合较好。7.阐述了城市高架桥基于性能的抗震设计的两个阶段和具体的设计步骤:一是弹性设计阶段,这一阶段的设计过程为大家所熟悉,主要是采用反应谱法进行设计;二是弹塑性设计阶段,主要的步骤为:（1）采用弹塑性需求谱法求解结构在指定地震作用下的弹塑性位移;（2）在指定性能目标下,对桥墩的变形能力进行设计。以某城市高架桥的一联作为算例,进行了基于性能的抗震设计,并将计算结果与弹塑性时程分析结果进行比较,证明了本文方法的正确有效。
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