簡述大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)方法

張忠良

【摘要】：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。

【關(guān)鍵詞】：橋梁抗震設(shè)計(jì)；分級設(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)委員會完成了一項(xiàng)科研項(xiàng)目（ATC-18），并對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)在兩個概率水平的地震作用之下，分別達(dá)到兩個不同性能標(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)理論中的一個重要思想——能力設(shè)計(jì)思想。這個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)而獲取整個結(jié)構(gòu)的安全。按照這個思想，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)體系在橋址處的場地條件下，確實(shí)是好的抗震體系，必須要進(jìn)行簡單分析（動力特性的分析及地震反應(yīng)評估），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)該分為兩個階段來進(jìn)行：1）對于預(yù)期中會出現(xiàn)塑性鉸的部位進(jìn)行仔細(xì)的配筋設(shè)計(jì)；2）對整個橋梁結(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。塑性鉸區(qū)的橫向配筋要同時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)范中對體積含箍率的規(guī)定比較一致，特別是歐洲的規(guī)范對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

參考文獻(xiàn)：

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