橋梁抗震的延性與隔震設(shè)計

　　摘要：以對比歐洲橋梁抗震設(shè)計規(guī)范與公路工程抗震設(shè)計規(guī)范的方式，就歐洲橋梁抗震設(shè)計規(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)計方法等方面作簡單介紹，對我國公路橋梁抗震規(guī)范發(fā)展方向進行了探討，并提出延性與隔震設(shè)計方法應(yīng)是橋梁抗震設(shè)計的主要方法。

　　關(guān)鍵詞：抗震規(guī)范；延性；隔震

　　目前我國公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范(JTJ004—89)是自1986年起至l9899年止，由交通部公路規(guī)劃設(shè)計院會同有關(guān)設(shè)計、科研和高等院校等單位對1977年發(fā)布的《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》進行修訂而成的．有關(guān)橋梁部分增加了使用橡膠支座的梁橋、彎橋、動水壓力、動土壓力、連孔拱橋等的地震荷載設(shè)計計算公式；修訂了反應(yīng)譜曲線．與原規(guī)范相比有較大的修改和補充，有許多獨到之處。
　　近幾年來，隨著我國經(jīng)濟的加速發(fā)展，大、中型橋梁，特別是斜拉橋的建設(shè)發(fā)展迅猛，同時使用的混凝土強度也在不斷增加，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，要滿足總則第1．0．3條的規(guī)定，在實踐操作上也是難以實施的，這是因為我國目前實行的規(guī)范，采用了與延性有關(guān)的綜合影響系數(shù)Cx值進行地震荷載的折減后，只進行極限狀態(tài)的抗震強度和穩(wěn)定性驗算，而沒有進行極限位移或延性的驗算。
　　我國的公路規(guī)范雖然針對橡膠支座橋梁提出了地震荷載的設(shè)計計算公式，但對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，本文將以對比的方式簡要介紹歐洲橋梁抗震規(guī)范(以下簡稱歐規(guī))并探討我國公路橋梁抗震規(guī)范(以下簡稱部規(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)用于出橋臺或橋墩的彎曲來抵抗水平地震作用的抗震設(shè)計，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。

　　1．2基本要求

　　歐規(guī)：①極限狀態(tài)：在發(fā)生設(shè)計地震后，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)：在場梁的設(shè)計年限內(nèi)經(jīng)歷常遇地震后，設(shè)計用于耗能的部件應(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，保證位于抗震危險地段橋梁不發(fā)生嚴(yán)重破壞。

　　1．3 依照標(biāo)準(zhǔn)

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

　　部規(guī)：進行抗震強度和穩(wěn)定性驗算。

　　1．4 地震作用

　　歐規(guī)定義地震作用考慮以下兩個方面： 

　　(1)在一點的地震運動特征；

　　(2)空間變化的地震運動特征，并指出在下列兩種情況下考慮地震運動的空間變化；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橋長大于600m。

　　部規(guī)規(guī)定，計算橋梁地震荷載時，應(yīng)分別考慮順橋和橫橋兩個方向的水平地震荷載．對于位于基本烈度為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、單元剛度、土的模型、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算公式表達。

　　1．6 延性抗震設(shè)計

　　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)計采用強度驗算和位移控制。

　　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值反映延性并對地震反應(yīng)進行折減．

　　2 歐洲橋梁抗震規(guī)范中的延性與隔震設(shè)計方法

　　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)計概念、設(shè)計方法上來闡述,至多在抗震措施中有所涉及,也只不過是作為一種安全儲備而已。顯然這是很不夠的,以下將簡要介紹歐規(guī)有關(guān)延性與隔震設(shè)計中的主要內(nèi)容。

　　歐規(guī)除直接給出延性定義和位移控制的設(shè)計方法外，為確保塑性鉸區(qū)域的曲率或轉(zhuǎn)動延性，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)計強度；ƒcd是混凝土的設(shè)計校體強度；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時有效，當(dāng)0．4＜ ηk ＜0．6時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)計工程帥提供一整套如何應(yīng)用隔層概念進行隔震設(shè)計的規(guī)則，其內(nèi)容包括設(shè)計范圍，設(shè)計地震作用，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)計剪切應(yīng)變和支座本身的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)．
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　　3 我國公路橋梁抗震規(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，為了進一步完善我國公路橋梁抗震規(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)計規(guī)范的范圍應(yīng)有所擴大

　　隨著我國公路橋梁的迅速發(fā)展，特別是大、中型的斜拉橋、高速公路或環(huán)線高架的異型長橋的發(fā)展急需要有抗震設(shè)計規(guī)范．至少應(yīng)有抗震設(shè)計指南，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)計的主要方法與依據(jù)

　　(1)綜合影響系數(shù)Cx應(yīng)進一步發(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)號以及軸力水平關(guān)系極大，特別是高強混凝土材料的應(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，我國公路橋梁抗震規(guī)范中的Cx要進一步做些研究工作。

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

　　保證橋梁在設(shè)計基本烈度地震影響時不發(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，除了采用強度穩(wěn)定等必要的檢驗外，還必須采用位移控制．對于中、小橋梁特別是梁式橋可以給出一些分項公式，對于大、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)計工程師們懂得在怎樣的條件下采用延性設(shè)計或隔震設(shè)計，才更有效，不致于盲目套用公式．這就必須在場地條件、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)橋梁橡膠支座的動力性能，特別是板式橡膠支座的靜動力剪切模量，滑板支座的靜、動力摩擦系數(shù)，作者近十年來對許多廠家的產(chǎn)品作了大量的試驗，如動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)計規(guī)范采用計算機軟件支持是規(guī)范的發(fā)展趨勢

　　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)重于計算方法的公式化。隨著我國橋梁抗震規(guī)范適用范圍的擴大，對于多數(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)計的規(guī)范化程序，將是規(guī)范發(fā)展的需求與趨勢。

　　4 結(jié) 論

　　橋梁的發(fā)展對抗震設(shè)計的要求日趨提高．我國公路橋梁抗震規(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)計規(guī)范的計算機軟件化方面，我們應(yīng)加緊著手研究。