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,依照標準、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?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)生嚴重破壞。
1.3 依照標準
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)只有當軸壓力比ηk不超過0.4時有效,當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)計標準.
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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%的最小含箍率是遠遠不夠的。
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。