橋梁抗震的延性與隔震設(shè)計(jì)

　　摘要：以對(duì)比歐洲橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范與公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的方式，就歐洲橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用范圍、基本要求，依照標(biāo)準(zhǔn)、地震作用、分析方法，延性與隔震設(shè)計(jì)方法等方面作簡(jiǎn)單介紹，對(duì)我國(guó)公路橋梁抗震規(guī)范發(fā)展方向進(jìn)行了探討，并提出延性與隔震設(shè)計(jì)方法應(yīng)是橋梁抗震設(shè)計(jì)的主要方法。

　　關(guān)鍵詞：抗震規(guī)范；延性；隔震

　　目前我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ004—89)是自1986年起至l9899年止，由交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院會(huì)同有關(guān)設(shè)計(jì)、科研和高等院校等單位對(duì)1977年發(fā)布的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行修訂而成的．有關(guān)橋梁部分增加了使用橡膠支座的梁橋、彎橋、動(dòng)水壓力、動(dòng)土壓力、連孔拱橋等的地震荷載設(shè)計(jì)計(jì)算公式；修訂了反應(yīng)譜曲線．與原規(guī)范相比有較大的修改和補(bǔ)充，有許多獨(dú)到之處。
　　近幾年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，大、中型橋梁，特別是斜拉橋的建設(shè)發(fā)展迅猛，同時(shí)使用的混凝土強(qiáng)度也在不斷增加，城市高架橋梁朝著輕型美觀發(fā)展，因此對(duì)公路橋梁抗震規(guī)范的試用范圍提出了更高的要求．另一方面對(duì)于即使?jié)M足規(guī)范適用范圍內(nèi)的跨徑不超過150m的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋、污工或鋼筋混凝土拱橋的抗震設(shè)計(jì)，要滿足總則第1．0．3條的規(guī)定，在實(shí)踐操作上也是難以實(shí)施的，這是因?yàn)槲覈?guó)目前實(shí)行的規(guī)范，采用了與延性有關(guān)的綜合影響系數(shù)Cx值進(jìn)行地震荷載的折減后，只進(jìn)行極限狀態(tài)的抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算，而沒有進(jìn)行極限位移或延性的驗(yàn)算。
　　我國(guó)的公路規(guī)范雖然針對(duì)橡膠支座橋梁提出了地震荷載的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，但對(duì)于提高橋梁的抗震性能，從隔震的概念來看，還缺少必要的規(guī)定和設(shè)計(jì)方法，新的歐洲橋梁抗震規(guī)范(Eurocode 8:Structures in Seismic Regions—Design,Part2:Bridges)剛剛問世，本文將以對(duì)比的方式簡(jiǎn)要介紹歐洲橋梁抗震規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱歐規(guī))并探討我國(guó)公路橋梁抗震規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱部規(guī))的發(fā)展．

　　1 歐規(guī)與部規(guī)的基本比較

　　1．1 主要應(yīng)用范圍

　　歐規(guī)主要應(yīng)用于出橋臺(tái)或橋墩的彎曲來抵抗水平地震作用的抗震設(shè)計(jì)，它包括豎向或接近豎向橋墩系統(tǒng)支承的橋梁上部結(jié)構(gòu)，也可以應(yīng)用于拱橋、斜拉橋等。

　　部規(guī)適用于跨徑不超過150m的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋、污工或鋼筋混凝土拱橋的抗震設(shè)計(jì)。

　　1．2基本要求

　　歐規(guī)：①極限狀態(tài)：在發(fā)生設(shè)計(jì)地震后，橋梁將仍保持它結(jié)構(gòu)整體性并且仍具有足夠的抗力，但橋梁的一些部件允許相當(dāng)程度的損壞，以保證結(jié)構(gòu)能維持緊迫的交通需要；①工作限狀態(tài)：在場(chǎng)梁的設(shè)計(jì)年限內(nèi)經(jīng)歷常遇地震后，設(shè)計(jì)用于耗能的部件應(yīng)當(dāng)僅產(chǎn)生次要破壞，能維持正常交通或搶修后即可恢復(fù)交通．

　　部規(guī)：在發(fā)生與之相當(dāng)?shù)幕玖叶鹊卣鹩绊憰r(shí)，保證位于抗震危險(xiǎn)地段橋梁不發(fā)生嚴(yán)重破壞。

　　1．3 依照標(biāo)準(zhǔn)

　　歐規(guī)：進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算和能力設(shè)計(jì)(通過使用專門的耗能裝置部規(guī)：進(jìn)行抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算．地震作用或彎曲塑性鉸的變形耗能)。

　　部規(guī)：進(jìn)行抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

　　1．4 地震作用

　　歐規(guī)定義地震作用考慮以下兩個(gè)方面： 

　　(1)在一點(diǎn)的地震運(yùn)動(dòng)特征；

　　(2)空間變化的地震運(yùn)動(dòng)特征，并指出在下列兩種情況下考慮地震運(yùn)動(dòng)的空間變化；①橋梁大于200m并且有地質(zhì)上的不連續(xù)或明顯的不同地貌特征；②橋長(zhǎng)大于600m。

　　部規(guī)規(guī)定，計(jì)算橋梁地震荷載時(shí)，應(yīng)分別考慮順橋和橫橋兩個(gè)方向的水平地震荷載．對(duì)于位于基本烈度為9度區(qū)的大路徑懸臂梁橋，還應(yīng)考慮上、下兩個(gè)方向豎向地震荷裁和水平地震荷載的不利組合。

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　　1．5 分析方法

　　歐規(guī)則重于①分析模型，包括自由度的選擇、質(zhì)量的確定、單元?jiǎng)偠取⑼恋哪Ｐ?、扭轉(zhuǎn)作用以及線性分析的性能乘子的確定等；②分析方法，即闡述反應(yīng)語法，基本模態(tài)法，功率語法，線性及非線性時(shí)域分析等方法及其應(yīng)用條件范圍。

　　部規(guī)則重于地震荷載的計(jì)算公式表達(dá)。

　　1．6 延性抗震設(shè)計(jì)

　　歐規(guī)直接結(jié)出延性定義，彈性反應(yīng)的地震力通過反應(yīng)延性的性能系數(shù)來折減，并通過具體的力學(xué)上的最低含箍率來保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性、設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度驗(yàn)算和位移控制。

　　部規(guī)沒有直接定義延性的影響，通過定義綜合影響系數(shù)Cx值反映延性并對(duì)地震反應(yīng)進(jìn)行折減．

　　2 歐洲橋梁抗震規(guī)范中的延性與隔震設(shè)計(jì)方法

　　延性及隔震是現(xiàn)代橋梁抗震的重要手段與方法，在這方面歐規(guī)與部規(guī)存在較大差別．有關(guān)延性部分部規(guī)僅通過主要反映延性因素的綜合影響系數(shù)來體現(xiàn)，沒有考慮軸力的影響和箍筋的約束作用，只是在構(gòu)造措施上給出規(guī)定，即規(guī)定8度區(qū)柱式橋墩和排架樁墩加密區(qū)段箍筋配置應(yīng)符合：“圓形截面應(yīng)采用螺旋式箍筋，其間距不大于10cm，箍筋直徑不小于8mm；矩形截面的最小含箍率ρmin，順橋向和橫橋向均為0．3%．”有關(guān)隔震方面根本沒有從設(shè)計(jì)概念、設(shè)計(jì)方法上來闡述,至多在抗震措施中有所涉及,也只不過是作為一種安全儲(chǔ)備而已。顯然這是很不夠的,以下將簡(jiǎn)要介紹歐規(guī)有關(guān)延性與隔震設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容。

　　歐規(guī)除直接給出延性定義和位移控制的設(shè)計(jì)方法外，為確保塑性鉸區(qū)域的曲率或轉(zhuǎn)動(dòng)延性，箍筋的數(shù)量根據(jù)力學(xué)上的含箍率來定義：

　　式中：ƒyd是鋼筋的屈服設(shè)計(jì)強(qiáng)度；ƒcd是混凝土的設(shè)計(jì)校體強(qiáng)度；ρw是含箍率，根據(jù)下式來定義：

　　式中：ARW是約束方向箍筋的總有效面積；s是沿縱向箍筋的間距，應(yīng)滿足s≤縱向鋼筋直徑的6倍, s≤混凝土核的最小尺寸的l／5；b是所測(cè)量的截面混凝土核心垂直于箍筋的箍筋外邊間的距離；dA是圓形箍筋或螺旋箍筋環(huán)的直徑;Aηp是圓形或螺旋箍筋環(huán)的面積。

　　最低力學(xué)上的含筋率根據(jù)下式來確定：

　　其中：Ac是截面混凝土的毛面積；Acc是截面的核心混凝土面積；рc≥ 15為要求的曲率延性；ηk是柱的軟壓力比。

　　目前規(guī)范常用的方法是等效線性動(dòng)力分析．性能系數(shù)反映結(jié)構(gòu)的延性，用來修改線性分析的結(jié)果，一般認(rèn)為是合理的．橋梁結(jié)構(gòu)的性能系數(shù)q是根據(jù)在地震作用下延性水平來確定，如附圖所示．根據(jù)結(jié)構(gòu)是延性的、有限延性的、基本上是彈性的來結(jié)出橋梁部件性能系數(shù)的最大值(附表)，并門說明表中q系數(shù)只有當(dāng)軸壓力比ηk不超過0．4時(shí)有效，當(dāng)0．4＜ ηk ＜0．6時(shí)q系數(shù)要折減。

　　歐規(guī)有關(guān)隔震有專門一章的內(nèi)容，目前是為設(shè)計(jì)工程帥提供一整套如何應(yīng)用隔層概念進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的規(guī)則，其內(nèi)容包括設(shè)計(jì)范圍，設(shè)計(jì)地震作用，分析方法，隔震系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的模擬，橋梁結(jié)構(gòu)和隔震系統(tǒng)的驗(yàn)算．最后用專門一節(jié)來描述橋梁橡膠支座的一般要求、總的設(shè)計(jì)剪切應(yīng)變和支座本身的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)．
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　　3 我國(guó)公路橋梁抗震規(guī)范發(fā)展方向的探討

　　通過比較歐洲橋梁抗震規(guī)范與我國(guó)公路橋梁抗震規(guī)范，盡管形式和內(nèi)容有較大差別，但目的和要求是一致的，為了進(jìn)一步完善我國(guó)公路橋梁抗震規(guī)范，在以下幾方面我們?nèi)砸鲂┭芯抗ぷ鳌?

　　3．1 橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的范圍應(yīng)有所擴(kuò)大

　　隨著我國(guó)公路橋梁的迅速發(fā)展，特別是大、中型的斜拉橋、高速公路或環(huán)線高架的異型長(zhǎng)橋的發(fā)展急需要有抗震設(shè)計(jì)規(guī)范．至少應(yīng)有抗震設(shè)計(jì)指南，如地震作用，結(jié)構(gòu)質(zhì)量，剛度模擬，分折方法，荷載組合以及避免脆性破壞的抗震要求與措施。

　　3．2 延性與隔震應(yīng)作為抗震設(shè)計(jì)的主要方法與依據(jù)

　　(1)綜合影響系數(shù)Cx應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展與完善．綜合影響系數(shù)的出現(xiàn)是為了體現(xiàn)地震問題的不確定因素和復(fù)雜性，在一定的誤差范圍內(nèi)，用Cx系數(shù)來折減線性分析的結(jié)果是合理的．應(yīng)當(dāng)指出，Cx系數(shù)主要是來源于結(jié)構(gòu)的延性，但混凝土結(jié)構(gòu)的延性與混凝土材料的標(biāo)號(hào)以及軸力水平關(guān)系極大，特別是高強(qiáng)混凝土材料的應(yīng)用．另外也一定要有產(chǎn)生塑性鉸的條件并且要考感到是否可修復(fù)．因此，我國(guó)公路橋梁抗震規(guī)范中的Cx要進(jìn)一步做些研究工作。

　　(2)要保證橋梁在設(shè)計(jì)基本烈度地震影響時(shí)不發(fā)生嚴(yán)重破壞，對(duì)位移控制一定要有具體的規(guī)定。

　　保證橋梁在設(shè)計(jì)基本烈度地震影響時(shí)不發(fā)生嚴(yán)重破壞，通常采用的方法是延性抗震或者減、隔震．除了使結(jié)構(gòu)要有足夠的延性性能和減震、隔震裝置具有減隔震效能外，從規(guī)范的角度一定要保證其方法的有效性，除了采用強(qiáng)度穩(wěn)定等必要的檢驗(yàn)外，還必須采用位移控制．對(duì)于中、小橋梁特別是梁式橋可以給出一些分項(xiàng)公式，對(duì)于大、中橋(如斜拉橋)可以給出一些指導(dǎo)性原則。

　　(3)延性與隔震設(shè)計(jì)應(yīng)是橋梁抗震的主要方法，除了在規(guī)范的一些系數(shù)、公式中體現(xiàn)延性與隔震外，要使設(shè)計(jì)工程師們懂得在怎樣的條件下采用延性設(shè)計(jì)或隔震設(shè)計(jì)，才更有效，不致于盲目套用公式．這就必須在場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)形式、分析折方法中加以說明與指導(dǎo)。

　　3．3一些細(xì)節(jié)問題需要調(diào)整

　　通過箍筋的約束作用提高混凝土的強(qiáng)度與延性已在世界范圍內(nèi)被人們所接受．在歐洲規(guī)范、美國(guó)規(guī)范、新西蘭規(guī)范中部有詳盡的反映．我們的橋梁抗震規(guī)范相對(duì)來說表現(xiàn)得不夠，僅規(guī)定0．3%的最小含箍率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

　　有關(guān)橋梁橡膠支座的動(dòng)力性能，特別是板式橡膠支座的靜動(dòng)力剪切模量，滑板支座的靜、動(dòng)力摩擦系數(shù)，作者近十年來對(duì)許多廠家的產(chǎn)品作了大量的試驗(yàn)，如動(dòng)剪切模量在橡膠層剪切角正切值為0．7一1．0條件下為850—ll00kN／m2，歐洲橋梁抗震規(guī)范建議為l000kN／m2，而我們的橋梁抗震規(guī)范建議為l200kN／m2偏高。

　　3．4 橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用計(jì)算機(jī)軟件支持是規(guī)范的發(fā)展趨勢(shì)

　　從歐洲橋梁抗震規(guī)范來看，它側(cè)重于荷載的描述，結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量的描述，計(jì)算方法的介紹和使用條件，荷載組合方法等，而我們的橋梁抗震規(guī)范更側(cè)重于計(jì)算方法的公式化。隨著我國(guó)橋梁抗震規(guī)范適用范圍的擴(kuò)大，對(duì)于多數(shù)情況采用公式化可能是有困難，研究編寫一整套適用于橋梁抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范化程序，將是規(guī)范發(fā)展的需求與趨勢(shì)。

　　4 結(jié) 論

　　橋梁的發(fā)展對(duì)抗震設(shè)計(jì)的要求日趨提高．我國(guó)公路橋梁抗震規(guī)范與歐洲橋梁抗震規(guī)范還存在相當(dāng)差距，因此有必要作些修訂．特別是在延性與隔震設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定與方法方面，我們還需做大量的工作．另外在大、中型橋梁的抗震指南以及橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算機(jī)軟件化方面，我們應(yīng)加緊著手研究。