橋梁震害分析與抗震設(shè)計(jì)新方法研究

邢 揚(yáng) 張國江

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066205)

P=KHW=AmaxW/g

F=KβW

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橋梁震害分析與抗震設(shè)計(jì)新方法研究

邢 揚(yáng) 張國江

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066205)

對(duì)橋梁的震害機(jī)理和破壞形式進(jìn)行了系統(tǒng)分析，闡述了橋梁抗震設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及抗震設(shè)計(jì)新方法的研究進(jìn)展，并通過一實(shí)例對(duì)新舊抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比，指出抗震設(shè)計(jì)新方法的運(yùn)用可有效提高橋梁的抗震性能。

橋梁，震害，抗震設(shè)計(jì)，新方法

地震因其具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、防御難度大等特點(diǎn)而被列為世界自然災(zāi)害之首。世界上主要有三大地震帶：環(huán)太平洋地震帶、歐亞地震帶和海嶺地震帶。我國位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，是世界上多地震國家之一。

作為陸地交通咽喉的橋梁，在整個(gè)交通系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。然而，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，橋梁極易發(fā)生破壞，且難以修復(fù)，從而給后續(xù)的抗震救災(zāi)工作造成極大的困難，使次生災(zāi)害加重。2008年汶川特大地震中，各類交通基礎(chǔ)設(shè)施損毀的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)670億元。上述地震災(zāi)害的慘痛教訓(xùn)，使得國內(nèi)外研究人員和工程設(shè)計(jì)人員對(duì)橋梁抗震方面的研究極為重視。

為了有效減輕地震對(duì)橋梁造成的損傷、提高橋梁的抗震能力，作者對(duì)橋梁震害及抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)分析與論述。首先，對(duì)橋梁的震害機(jī)理和破壞形式進(jìn)行系統(tǒng)分析；然后，闡述橋梁抗震設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及一些新方法的研究進(jìn)展；最后，通過一實(shí)例對(duì)新舊抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，來說明抗震設(shè)計(jì)的新方法在提高橋梁抗震性能方面的優(yōu)越性。

1 橋梁震害機(jī)理及破壞形式

1.1 橋梁震害機(jī)理

已有研究成果表明[7-]9〗，引發(fā)橋梁震害的原因主要有四類，如圖1所示。

1.2 橋梁震害破壞形式

按照橋梁震害所發(fā)生的位置，可將橋梁震害的破壞形式分為兩類[10-14]：

1)上部結(jié)構(gòu)破壞。主要形式為梁體偏移及落梁、支座破壞、伸縮縫和擋塊破壞等(見圖2，圖3)。

2)下部結(jié)構(gòu)破壞。主要形式為墩臺(tái)破壞、軟弱地基失效造成的破壞等(見圖4，圖5)。

2 橋梁抗震設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

2.1 基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法[16]

基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法主要有靜力法、反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法[17]。

1)靜力法。

靜力法表達(dá)式為：

P=KHW=AmaxW/g

(1)

其中，W為結(jié)構(gòu)重力，N；KH為水平地震系數(shù)，KH=Amax/g；Amax為地震動(dòng)的最大水平加速度，m/s2；g為重力加速度，m/s2。

2)反應(yīng)譜法。

其表達(dá)式為：

F=KβW

(2)

式中：F——作用在單自由度彈性體系結(jié)構(gòu)的地震荷載或底部剪力，N；

W——結(jié)構(gòu)重力，N；

K——地震系數(shù),K=Xmax/g；

Xmax——地震動(dòng)的最大加速度，m/s2；

g——重力加速度，m/s2；

β——?jiǎng)恿Ψ糯笙禂?shù)，且是結(jié)構(gòu)自振周期T和臨界阻尼比ξ的函數(shù)。

3)時(shí)程分析法[16]。

該方法主要是建立地震振動(dòng)方程，然后對(duì)振動(dòng)方程進(jìn)行求解，得到地震過程中橋梁每一瞬時(shí)的速度、加速度、位移等指標(biāo)，最后通過分析這些指標(biāo)來得到橋梁的內(nèi)力變化情況和損傷甚至倒塌的全過程。但由于任何地區(qū)都不可能發(fā)生兩次完全相同的地震，所以時(shí)程分析法中所輸入的地震波不能準(zhǔn)確反映出該地區(qū)未來可能發(fā)生的地震情況，所得結(jié)果具有極大的偶然性。

2.2 基于性能的設(shè)計(jì)方法

基于性能的設(shè)計(jì)方法主要有推倒分析法、能力譜法、基于位移的設(shè)計(jì)方法和基于地震損傷性能的設(shè)計(jì)方法等[17]。

推倒分析方法是一種與反應(yīng)譜法相結(jié)合的靜力彈塑性分析方法。它首先對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增的水平荷載，然后通過分析結(jié)構(gòu)的非線性性能，從而判斷出結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形、受力情況是否滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

3 橋梁抗震設(shè)計(jì)新方法

3.1Caltrans新抗震設(shè)計(jì)方法[18]〗

首先，Caltrans將普通橋梁分為標(biāo)準(zhǔn)橋梁和非標(biāo)準(zhǔn)橋梁，且二者之間沒有沖突。其次，該方法不建議將非彈性裝置全部設(shè)置到混凝土構(gòu)件上，而建議多設(shè)置在橋墩、耳墻、背墻、側(cè)墻等部位。最后，由于Caltrans抗震設(shè)計(jì)方法主要基于橋梁位移，因此Caltrans認(rèn)為，與結(jié)構(gòu)外形和塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力有關(guān)的有效位移能力能夠用非彈性靜力分析方法來確定。

3.2ATC-18聯(lián)邦公路總署推薦標(biāo)準(zhǔn)[19]〗

在ATC-18聯(lián)邦公路總署推薦標(biāo)準(zhǔn)中，地震被分為兩種情況來研究：當(dāng)?shù)卣鸺?jí)別較低時(shí)，橋梁只允許發(fā)生輕微損傷；當(dāng)?shù)卣鸺?jí)別較高時(shí)，橋梁允許發(fā)生損傷，但不能發(fā)生倒塌現(xiàn)象。該方法既承認(rèn)現(xiàn)行的AASHTO抗震性能分類，又要求設(shè)計(jì)者要基于位移進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)，并通過適當(dāng)?shù)姆蔷€性反應(yīng)譜來得到強(qiáng)度和剛度。

4 橋梁抗震設(shè)計(jì)新方法的應(yīng)用

1995年1月17日清晨5：45，日本兵庫縣神戶市西南部發(fā)生里氏7.3級(jí)強(qiáng)烈地震。阪神公路3號(hào)線內(nèi)按老式橋梁抗震方法設(shè)計(jì)的橋梁和5號(hào)線內(nèi)按新式抗震方法設(shè)計(jì)的橋梁形成了鮮明對(duì)比，地震發(fā)生后3號(hào)線內(nèi)的橋梁幾乎全部倒塌，而類似情況并未在5號(hào)線內(nèi)的橋梁上發(fā)生。這充分說明這些抗震設(shè)計(jì)新方法的應(yīng)用大大提高了橋梁的抗震性能。

[1]任旭東.橋梁的抗震檢測(cè)與加固方法.山西建筑，2009，35(16)：340-341.

[2]謝 旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計(jì).北京：人民交通出版社，2006.

[3]趙榮國，李衛(wèi)平，張 虹.2005年地震災(zāi)害綜述.國際地震動(dòng)態(tài)，2006(1)：20-23.

[4]邢 揚(yáng).城市橋梁爆炸失效機(jī)理及其安全評(píng)估方法研究.天津：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,2013.

[5]范立礎(chǔ).橋梁抗震.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

[6]杜修力，韓 強(qiáng)，李忠獻(xiàn)，等.5·12汶川地震中山區(qū)公路橋梁震害及啟示.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,34(12)：1270-1279.

[7]RoyAImbsen.Useofisolationforseismicretrofittingbridge.JournalofBridgeEngineering,2001(6):425-439.

[8]TatsuoOgata,KojiOsada.SeismicretrofittingofexpresswaybridgesinJapan.Cement&ConcreteComposites,2000(22):7-27.

[9]王硯田，覃永明.橋梁震害分析與抗震設(shè)計(jì).公路工程與運(yùn)輸，2006(10)：68-71.

[10]李春鳳.汶川地震橋梁震害與延性抗震設(shè)計(jì)探討.公路交通科技，2009，26(4)：98-102.

[11] 貢金鑫，王雪婷，張 勤.從汶川地震災(zāi)害看現(xiàn)行國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)方法.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，49(5)：739-747.

[12]葉愛軍，胡世德，范立礎(chǔ).大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)實(shí)用方法.土木工程學(xué)報(bào)，2001，34(1)：1-6.

[13]KawashimaK.Seismicdesignofbridgesafter1995Kobeearthquake.JournalofDisasterResearch,2006,1(2):262-271.

[14]EduardoMiranda,VitelmoV.Bretero.Evaluationofstrengthreductionfactorsforearthquake-resistantdesign.EarthquakeSpectra,1994,10(2):357-379.

[15]朱 兵.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面關(guān)于地震力計(jì)算的新思考.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16(3)：37-41.

[16]范立礎(chǔ)，王君杰.橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(2)：70-77.

[17]翟長海，謝禮立.抗震結(jié)構(gòu)最不利設(shè)計(jì)地震動(dòng)研究.土木工程學(xué)報(bào)，2005，38(12)：51-58.

[18]CaltransSeismicDesignCriteria.Version1.4.

[19]ATC-18.Seismicdesigncriteriaforbridgesandotherhighwaystructures.California:RedwoodCity,1997.

Bridgeseismicdamageanalysisandnewseismicdesignmethods

XingYangZhangGuojiang

(China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co., Ltd, Qinhuangdao 066205, China)

Theseismicdamagemechanismanddestroyformsareanalyzedinthispaperandthestudystatusandsomenewmethodsofbridgeseismicdesignareexpounded.Intheend,bycomparingwiththeoldseismicdesignmethods,pointsouttheadopionofnewmethodsforanti-seismicdesigncanpromotebridges’anti-seismicperformanceeffectivelyaccordingtoexamples.

bridge,seismicdisaster,seismicdesign,newmethod

1009-6825(2015)01-0159-02

2014-10-21

邢 揚(yáng)(1987- )，男，碩士，助理工程師； 張國江(1988- )，男，助理工程師

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