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(lái),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(guò)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(méi)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(lái)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(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)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(yǔ)法,基本模態(tài)法,功率語(yǔ)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(guò)反應(yīng)延性的性能系數(shù)來(lái)折減,并通過(guò)具體的力學(xué)上的最低含箍率來(lái)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(méi)有直接定義延性的影響,通過(guò)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(guò)主要反映延性因素的綜合影響系數(shù)來(lái)體現(xiàn),沒(méi)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(méi)有從設(shè)計(jì)概念、設(shè)計(jì)方法上來(lái)闡述,至多在抗震措施中有所涉及,也只不過(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)結(jié)出橋梁部件性能系數(shù)的最大值(附表),并門說(shuō)明表中q系數(shù)只有當(dāng)軸壓力比ηk不超過(guò)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(lái)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). [Page] 3 我國(guó)公路橋梁抗震規(guī)范發(fā)展方向的探討
通過(guò)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(wèn)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(lái)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(lái)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(shuō)明與指導(dǎo)。
3.3一些細(xì)節(jié)問(wèn)題需要調(diào)整
通過(guò)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(lái)說(shuō)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(lái)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(lái)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(xiě)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。 |
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原作者: 范立礎(chǔ) 袁萬(wàn)城 |
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