論大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

張忠良

論大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

張忠良

（身份證號(hào)：510623198112213515 成都 611433）

介紹大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)研究進(jìn)展，并提出了在橋梁抗震的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循的一些設(shè)計(jì)原則和橋梁減、隔震的有效措施，指出合理的結(jié)構(gòu)形式的抗震設(shè)計(jì)可以大大的減輕甚至避免震害的產(chǎn)生，從而能很好地達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)的防震和抗震效果。

橋梁抗震設(shè)計(jì)；分級(jí)設(shè)防；延性抗震準(zhǔn)則

一、大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

大跨度的橋梁，地震反應(yīng)比較復(fù)雜，抗震設(shè)計(jì)相對(duì)也比較復(fù)雜。目前，國內(nèi)外現(xiàn)行的大部分橋梁工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，只適合用于中等跨徑的橋梁，超過了使用范圍的大跨度橋梁便無規(guī)范可循。比如美國的AASHTO規(guī)范以及我國公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的適用范圍是150m，日本的規(guī)范中適用范圍是200m，我國鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范雖然沒有說明跨徑的范圍，但說明了“對(duì)特殊抗震要求的建筑物和新型結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行專門研究設(shè)計(jì)”。大跨度的橋梁沒有可以遵循的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，因此存在許多需要進(jìn)一步解決的問題。

近30年來，在美國、日本等國家的地震工程專家提出了分級(jí)設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)思想，可以概括成為：小震不壞、中震可修、大震不倒。我國《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了地震烈度在7度以上的地區(qū)新建橋梁都必須抗震設(shè)防。1997年美國的應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)完成了一項(xiàng)科研項(xiàng)目（ATC-18)，并對(duì)美國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出了改進(jìn)建議，其中，主要的建議是采用兩水平的抗震設(shè)計(jì)方法，也就是要求結(jié)構(gòu)在兩個(gè)概率水平的地震作用之下，分別達(dá)到兩個(gè)不同性能標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)行的日本規(guī)范己經(jīng)采用這一方法。

1975年，新西蘭學(xué)者提出了結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)理論中的一個(gè)重要思想——能力設(shè)計(jì)思想。這個(gè)思想基本的概念在于合理的選擇塑性鉸存在的位置，通過犧牲塑性鉸所在延性構(gòu)件耗能的能力，來保證結(jié)構(gòu)當(dāng)中脆性構(gòu)件處于彈性的反應(yīng)階段，進(jìn)而獲取整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。按照這個(gè)思想，為能確保塑性鉸彎曲耗能能力，必須要防止塑性鉸所在的延性構(gòu)件的內(nèi)部發(fā)生脆性破壞模式，比如剪切破壞、粘結(jié)破壞以及失穩(wěn)破壞等。橋梁抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了能使地震造成的破壞容易檢查和維修，通常會(huì)把橋墩選為延性構(gòu)件，并要求彎曲塑性鉸出現(xiàn)在橋墩部分的頂部或底部，上部結(jié)構(gòu)以及地面以下的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為能力保護(hù)構(gòu)件。能力設(shè)計(jì)思想目前廣泛地被國內(nèi)外專家學(xué)者所接受。

二、抗震設(shè)計(jì)

大跨度的橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該分為兩個(gè)階段進(jìn)行：1）在方案設(shè)計(jì)的階段進(jìn)行抗震概念的設(shè)計(jì)，選一個(gè)比較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系;2）在初步或者技術(shù)設(shè)計(jì)的階段進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)，并且根據(jù)能力設(shè)計(jì)思想來進(jìn)行抗震能力的驗(yàn)算，在必要時(shí)進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)以便提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

（1）抗震概念設(shè)計(jì)

由于地震發(fā)生的不確定及復(fù)雜性，再者加上結(jié)構(gòu)計(jì)算模型假定和實(shí)際情況的差異，使“計(jì)算設(shè)計(jì)”很難控制結(jié)構(gòu)抗震性能，因此不能完全依賴計(jì)算。結(jié)構(gòu)抗震性能決定的因素是良好的“概念設(shè)計(jì)”。所以，在橋梁方案的設(shè)計(jì)階段，不能只根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍，還應(yīng)當(dāng)考慮到橋梁的抗震性能，盡量選擇好的抗震結(jié)構(gòu)體系。

抗震概念設(shè)計(jì)的時(shí)候，要特別注重上、下部結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計(jì)，橋墩形式的選取，過渡孔處的連接部位的設(shè)計(jì)和塑性鉸預(yù)期部位選擇。

為了保證選擇的結(jié)構(gòu)體系在橋址處的場(chǎng)地條件下，確實(shí)是好的抗震體系，必須要進(jìn)行簡(jiǎn)單分析（動(dòng)力特性的分析及地震反應(yīng)評(píng)估），并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位分析，從而進(jìn)一步分析是否能夠通過配筋或構(gòu)造設(shè)計(jì)來保證這些部位抗震的安全性。最后，依據(jù)分析結(jié)果來綜合評(píng)判結(jié)構(gòu)體系的抗震性能優(yōu)劣，決定是否需要修改設(shè)計(jì)方案。

（2）延性抗震設(shè)計(jì)

橋梁的延性抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該分為兩個(gè)階段來進(jìn)行：1）對(duì)于預(yù)期中會(huì)出現(xiàn)塑性鉸的部位進(jìn)行仔細(xì)的配筋設(shè)計(jì);2）對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震能力的分析驗(yàn)算，以確保其抗震的安全性。這兩個(gè)階段可以反復(fù)，一直到能通過抗震能力驗(yàn)算。

結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的曲率延性系數(shù)一般要大于結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)。因?yàn)橐坏┣霈F(xiàn)，而進(jìn)一步的變形主要是依靠塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)。塑性鉸區(qū)的橫向配筋要同時(shí)滿足能保證截面的延性和保證縱向鋼筋不壓潰屈曲這兩個(gè)要求。在這一方面，我國目前的規(guī)范還相當(dāng)?shù)牟蛔悖梢詤⒖紘獾囊?guī)范進(jìn)行。如美國的AASH-TO規(guī)范及歐洲規(guī)范中對(duì)體積含箍率的規(guī)定比較一致，特別是歐洲的規(guī)范對(duì)橫向約束鋼筋的配置是有非常詳細(xì)的配置。

（3）橋梁減、隔震設(shè)計(jì)

減、隔震體系是通過增大結(jié)構(gòu)的主要振型周期，使其落在地震能量較少的范圍內(nèi)或者增大結(jié)構(gòu)的能量耗散能力，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。減、隔震設(shè)計(jì)效果，需要進(jìn)行非線性地震的反應(yīng)分析來驗(yàn)證。

大跨度公路橋梁當(dāng)中廣泛使用了高載多向的橋梁支座作為隔震支座。在強(qiáng)震的作用下，高載多向支座構(gòu)造的特性決定了它們都要進(jìn)入非線性(接觸一滑移）的狀態(tài)，合理模擬了其工作性狀對(duì)于結(jié)構(gòu)地震的反應(yīng)結(jié)果有著直接影響，國內(nèi)外都提出了一些力學(xué)模型。對(duì)于用平面桿系模型模擬的公路橋梁來說，采用了二維正交彈簧模型來模擬高載多向支座的工作性狀是可行的。對(duì)于空間結(jié)構(gòu)力學(xué)模型來說，可以采用空間等代桿件的力學(xué)模型來模擬高載多向支座

[1]陸鳴，田學(xué)民，王篤國，李麗媛.建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].《震災(zāi)防御技術(shù)》, 2006年第1期第31-38頁

[2]劉昱彤，基礎(chǔ)隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探討[J].《山西建筑》, 2011年37卷(9)期第36-37頁

張忠良（1981.12～），男，碩士，主要研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗震、地基基礎(chǔ)。身份證號(hào)：510623198112213515

TU7

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1007-6344（2017）03-0066-01