橋梁抗震設(shè)計要點

1、橋梁抗震設(shè)計基本要求最近二三十年來, 全球發(fā)生的對此破壞性地震造成了非常慘重的生命財產(chǎn)損 失。 一個很重要的原因是, 橋梁工程在地震中遭到了嚴(yán)重破壞, 切斷了震區(qū)交通 生命線, 造成救災(zāi)工作的巨大困難, 使次生災(zāi)害加重, 從而導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟損 失。多次破壞性地震一再顯示了橋梁工程遭到破壞的嚴(yán)重后果, 也一再顯示了橋 梁工程進行正確抗震設(shè)計的重要性。 自從 1976年唐山地震以后, 我國的橋梁抗震 工作也日益受到重視。最近幾年來,我國的鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范、 公路 橋梁抗震設(shè)計細(xì)則 以及 城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范 先后得到了修訂或編制完成。 這些規(guī)范引入了新的橋梁抗震設(shè)計理念, 完善了相應(yīng)的抗震設(shè)

2、計方法, 是我國橋 梁設(shè)計的依據(jù)。2.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)防目標(biāo)工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是指根據(jù)地震動背景, 為保證工程結(jié)構(gòu)在壽命期內(nèi)的地震 損失 (經(jīng)濟損失及人員損失 不超過規(guī)定的水平或社會可接受的水平, 規(guī)定工程 結(jié)構(gòu)必須具備的抗震能力。 因此, 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是工程項目進行抗震設(shè)計的準(zhǔn)則, 也是工程抗震設(shè)計中需要解決的首要問題。通常情況下,建設(shè)工程從選址到使用壽期內(nèi)的防震措施可分為三個階段:抗 震設(shè)計、保證施工質(zhì)量與合理的維護保養(yǎng)。其中,抗震設(shè)計要遵從一定的標(biāo)準(zhǔn), 這就是抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。 它包括抗震設(shè)防目標(biāo)、 工程設(shè)防類別、 設(shè)防地震和場地選 擇等內(nèi)容?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)性和政策性(或社會性的結(jié)合。

3、科學(xué)性就是要嚴(yán)格按 照現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)范要求進行工程場地地震安全性評價工作, 是的評價結(jié)果較好地 符合實際,具有較好的可重復(fù)性。政策性則要考慮到工程類型、重要程度、投資 強度風(fēng)險程度等。 我國還屬于發(fā)展中國家, 財力物力有限。 國家總的防災(zāi)政策決 定了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不宜過高。 隨著科學(xué)技術(shù)的進步和國民經(jīng)濟地發(fā)展, 以及人們 放在意識的加強,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)也在逐漸提高。抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)工程設(shè)防類別系指根據(jù)工程結(jié)構(gòu)遭遇地震破壞后可能產(chǎn)生的經(jīng)濟損失和社會影響程度, 以 及在抗震救災(zāi)中的作用, 對其所做的抗震重要性類別劃分。 一般分為四類, 也有 的行業(yè)工程分為二類或三類?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防地震系指針對不同重要性類

4、別的工程, 采用特定安全水準(zhǔn)的地震作用強度, 常以一定 概率水平下的地震烈度或地震動參數(shù)來表達。 在現(xiàn)行的多種抗震設(shè)計規(guī)范中稱為 “設(shè)防烈度”?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)系指工程結(jié)構(gòu)通過抗震設(shè)計所達到的宏觀抗震目標(biāo)。 設(shè)防目標(biāo)同設(shè)計方法有 關(guān)。比如,對于建筑來說是三級設(shè)防,其目標(biāo)可簡述為“小震不壞、中震可修、 大震不倒”?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)場地選擇系指在地震區(qū)選擇建設(shè)場地時,宜選擇有利地段,避開不利地段,當(dāng)無法避 開時應(yīng)采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?這是經(jīng)濟合理的抗震設(shè)防前提, 往往比其他抗震措 施的作用還大。 因為, 地震對建設(shè)工程的破壞, 除地震動引起工程結(jié)構(gòu)的破壞外, 還有場地條件的因素,諸如地震引起的

5、地表錯動與地裂,地基土的不均勻沉陷, 滑坡和粉、砂土液化等。對有利,不利和危險地段的劃分,應(yīng)按地震活動性、構(gòu) 造活動性,邊坡穩(wěn)定性和場地地基條件等進行綜合評定。橋梁工程的抗震設(shè)防, 既要使震前用于抗震設(shè)防的經(jīng)濟投入不超過我國當(dāng)前 的經(jīng)濟能力, 又要使地震中經(jīng)過抗震設(shè)計的橋梁的破壞程度限制在人們可以承受 的范圍內(nèi)。 換言之, 需要在經(jīng)濟和安全之間進行合理平衡, 這是橋梁抗震設(shè)防的 合理安全度原則?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是衡量抗震設(shè)防要求高低的尺度, 由抗震設(shè)防烈度或設(shè)計地震 動參數(shù)及橋梁抗震設(shè)防類別確定。 抗震設(shè)防烈度是按國家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一 個地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度。 設(shè)防參數(shù)是指考慮工程抗震設(shè)

6、防時, 采用哪種 物理量(參數(shù)來進行工程設(shè)防。國內(nèi)外常用的參數(shù)為烈度和地震動參數(shù)兩種。 我國頒布了中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖規(guī)定的基本烈度,一般情況下,取 50年內(nèi) 超越概率 10%的地震烈度。對橋址已作過地震安全性評價的橋梁,應(yīng)按批準(zhǔn)的抗震設(shè)防烈度或設(shè)計地震動參數(shù)進行抗震設(shè)防。通過抗震設(shè)防,減輕公路橋梁的地震破壞,保證人民生命財產(chǎn)安全,減少經(jīng) 濟損失,更好地發(fā)揮公路交通網(wǎng)在抗震救災(zāi)中的作用。具體具體通過“兩水準(zhǔn)” 的抗震設(shè)防要求和“兩階段”的抗震設(shè)計方法實現(xiàn)。近幾十年來,美國、日本及我國等國家的地震工程專家先后提出了分類設(shè)防 的抗震設(shè)計思想,即“小震不壞,中震可修,大震不倒”。這一抗震設(shè)計思想表

7、示為以下三個要求:在小震(多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)物不許修理,仍可正常使 用;在中震(偶遇地震作用下,結(jié)構(gòu)物無重大損壞,經(jīng)修復(fù)后仍可繼續(xù)使用; 在大震(罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生重大破壞,但不致倒塌。我國公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則(JTG/T B02 01 2008以及城市橋梁 抗震設(shè)計規(guī)范(CJJ 166 2011分別兩個等級的地震動參數(shù):E1地震作用和 E2地震作用,進行兩個階段的抗震設(shè)計;即:當(dāng)遭受 E1地震作用時,一般不受損 壞或不需修理可繼續(xù)使用。 當(dāng)遭受 E2地震作用時, 應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié) 構(gòu)損壞,經(jīng)臨時加固后可供維持應(yīng)急交通使用。表 1 各設(shè)防類別橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo) 我國建筑

8、抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011 2010就是采用三水準(zhǔn)設(shè)防、兩階 段設(shè)計方法:第一階段設(shè)計取第一水準(zhǔn)的地震動參數(shù)計算結(jié)構(gòu)的彈性地震作用標(biāo) 準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng), 進行構(gòu)件截面的承載力驗算, 即采用彈性抗震設(shè)計, 對部分構(gòu)件進行承載力設(shè)計。 ; 第二階段設(shè)計取第三水準(zhǔn)的地震動參數(shù)進行結(jié)構(gòu) 薄弱部位的彈塑性層間變形驗算, 并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施, 即采用延性抗震設(shè)計 方法,并引入能力保護設(shè)計原則。橋梁工程在其使用期內(nèi),要承受多種作用的影響,包括永久作用、可變作用 和偶然作用三大類。 地震是橋梁工程的一種偶然作用, 在試用期內(nèi)不一定會出現(xiàn), 但一旦出現(xiàn), 對結(jié)構(gòu)的影響很大。 橋梁工程必須首先確保運

9、行功能, 即滿足永久 作用和可變作用的要求, 這是靜力設(shè)計的目標(biāo)。 其次。 保證橋梁工程在地震下的安全性也非常重要, 因此要進行抗震設(shè)計。目前, 橋梁工程的抗震設(shè)計一般配合 靜力設(shè)計進行,并貫穿橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的全過程。 與靜力設(shè)計一樣,橋梁工程的抗震設(shè)計也是一項綜合性的工作。橋梁抗震設(shè) 計的任務(wù),是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式,并為結(jié)構(gòu)提供較強的抗震能力。具體來說, 要正確選擇能夠有效地抵抗地震作用的結(jié)構(gòu)形式, 合理地分配結(jié)構(gòu)的剛度、 質(zhì)量 和阻尼等的分布, 并正確估計地震可能對結(jié)構(gòu)造成的破壞, 以便通過結(jié)構(gòu)、 構(gòu)造 和其他抗震措施,使損失控制在限定的范圍內(nèi)。橋梁工程的抗震設(shè)計過程一般包括七個步驟,即抗震

10、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)選定、地震輸 入選擇、抗震概念設(shè)計、延性抗震設(shè)計(或減隔震設(shè)計、地震反應(yīng)分析、抗震 性能驗算以及抗震措施選擇,如圖所示。 其中, 虛框中的部分工作量最大, 也最為復(fù)雜。 如果采用兩級設(shè)防的抗震設(shè)計思 想, 虛框中的地震反應(yīng)分析和抗震驗算就要做兩次循環(huán), 即對應(yīng)于每一個設(shè)防水 準(zhǔn), 進行一次地震反應(yīng)分析, 并進行相應(yīng)的抗震性能驗算, 直到結(jié)構(gòu)的抗震性能 滿足要求。2.2地震作用及作用效應(yīng)組合橋梁場地地震安全性評價地震安全性評價是指對具體建設(shè)工程地區(qū)或場址周圍的地震地質(zhì)、 地球物理、 地 震活動性、 地形變化等進行研究, 采用地震危險性概率分析方法, 按照工程應(yīng)采 用的分先概率水準(zhǔn), 科學(xué)

11、地給出相應(yīng)的工程規(guī)劃和設(shè)計所需的有關(guān)抗震設(shè)防要求 的地震動參數(shù)和基礎(chǔ)資料。地震安全性評價工作一般包括地震危險性分析、 場地土層地震反應(yīng)分析和場地的 地震地質(zhì)災(zāi)害評價三部分。地震危險性是指某一場地(或某一區(qū)域、地區(qū)、國家在一定時期內(nèi)可能遭受到 的最大地震破壞影響, 可以用地震烈度或地面運動參數(shù)來表示。 目前, 場地的地 震危險性分析普遍采用概率方法, 具體要求包括:查明工程場地周圍地震環(huán)境和地震活動性, 判定并劃分出潛在震源的位置、 規(guī)模和地震活動頻度, 給出可能的 真元模式, 確定各潛在震源的發(fā)震概率, 最后根據(jù)地震動衰減規(guī)律和地震危險性 分析的概率模型, 計算出場地不同地震動參數(shù)的概率曲線,

12、 給出不同概率水準(zhǔn)下 的地震動參數(shù)峰值,得到基巖的地震反應(yīng)譜,以及地震持續(xù)時間。將地震危險性分析得到的基巖地震加速度反應(yīng)譜進行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 得到目標(biāo)反應(yīng) 譜, 進一步合并基巖加速度時程, 作為場地地震反應(yīng)分析的地震輸入。 對于水平 層、 橫向不均勻性較小的場地, 可采用一維剪切模型進行場地土層地震反應(yīng)分析, 該模型為覆蓋在基巖上的一系列完全理想的已知層后、土特征的水平成層模型。 但對于局部地形等影響、 橫向不均勻性較大的場地, 則需采用二維甚至三維模型 進行場地土層地震反應(yīng)分析。 通過場地的地震反應(yīng)分析, 可以得到各土層的地震 加速度時程, 并進一步換算為地震加速度反應(yīng)譜, 經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后可得到設(shè)

13、計加速度 反應(yīng)譜, 供工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計采用。 進一步地, 還要以設(shè)計加速度反應(yīng)譜為目 標(biāo),擬合出符合工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求的地震加速度時程。地震加速度反應(yīng)譜做過地震安全性評價的橋梁場地, 可以選取地震安全性評價報告提供的設(shè)計反應(yīng) 譜作為地震輸入; 而未做場地地震安全性評價的橋梁場地, 一般選取現(xiàn)行橋梁抗 震規(guī)范規(guī)定的反應(yīng)譜作為地震輸入。由于諸多隨機因素的影響,使得由不同記錄計算得到的反應(yīng)譜具有很大的隨機 性。 為此, 各國規(guī)范的反應(yīng)譜一般是根據(jù)很多條地震記錄統(tǒng)計平均后, 進行一定 的平滑處理后得到的。我國公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則采用的反應(yīng)譜是通過對 823條水平強震記錄統(tǒng)計 分析得到的,并將有效周

14、期成分延長至 10s ,其對應(yīng)阻尼比為 0.05的水平加速度 反應(yīng)譜由下式確定:(<<+=gg g T T T T S T T s S s T T S S /1. 01. 045. 05. 5max max maxA C C C S d s i 25. 2max =式中 , g T 為反應(yīng)譜特征周期 (根據(jù)地震動參數(shù)區(qū)域圖選取 ; T 為結(jié)構(gòu)自震周期; max S 為水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值; i C 為地震設(shè)防的重要系數(shù); s C 為場地系數(shù); d C 為阻尼調(diào)整系數(shù); A 為水平向設(shè)計基本地震動加速度峰值。55. 04. 106. 005. 01+-+=d C 式中, 為結(jié)構(gòu)

15、實際阻尼比。我國城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范則采用了建筑抗震設(shè)計規(guī)范相同的反應(yīng)譜形 式,有效周期成分至 6s, 分別在 g g T T 5區(qū)段和 g g T T 65區(qū)段采用不同的下降段, 其水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜直 S 由下式確定:(-< <<+=g g g g g g T T S T T T T T T T S T T s S s T S T S S max 12max 2max2max max 25-2. 051. 01. 0045. 05. 545. 0-10 式中, g T 為反應(yīng)譜特征周期,根據(jù)地震動參數(shù)區(qū)域圖選取,其中計算 8、 9度 E2地震作用時,特征周期宜增加 0.

16、05s ; 2為結(jié)構(gòu)的阻尼調(diào)整系數(shù),阻尼比為 0.05時取 1.0,阻尼比不等于 0.05時按式 計算; 為 g g T T 5區(qū)段曲線衰減指數(shù),阻尼比為 0.05時取 0.9, 阻尼比不等于 0.05時按式 計算;1為 g g T T 65區(qū)段直線下 降段下降斜率調(diào)整系數(shù),阻尼比為 0.05時取 0.02,阻尼比不等于 0.05時按式 計 算; T 為結(jié)構(gòu)自震周期; max S 為水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值,按式 計算。 4. 106. 0-05. 012+= 55. 0-05. 09. 0+= (8-05. 002. 01+=A S 25. 2max =式中, 為結(jié)構(gòu)實際阻尼比; A 為

17、E1或 E2地震作用下水平向地震動峰值加速度。 對于豎向地震作用, 我國 公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則 和 城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范均采用豎向地震動加速度反應(yīng)譜由水平向設(shè)計加速度反應(yīng)譜乘以豎向 /水平向譜 比函數(shù) R得到。其中,基巖場地 R 取 0.65,一般土層場地根據(jù)下式取值;<-<=3. 05. 03. 01. 01. 0(5. 20. 11. 00. 1T T T T R 式中, T 為結(jié)構(gòu)自震周期。地震動加速度時程目前, 在橋梁抗震設(shè)計中, 地震動加速度時程的選擇主要有三種方法, 即直接利 用強震記錄、 采用人工地震加速度時程和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化地震加速度時程。 選擇加速 度時程,必須把握住

18、三個特征,即加速度峰值的大小、波形和強震持續(xù)時間。 在選擇強震記錄上時,除了最大峰值加速度應(yīng)符合橋梁所在地區(qū)的設(shè)防要求外, 場地條件也應(yīng)盡量接近, 也就是該地震波的主要周期應(yīng)盡量接近于橋址場地的卓 越周期。 對于強震持續(xù)時間, 原則上應(yīng)采用持續(xù)時間較長的地震記錄。 如果能獲 得橋址場地附近同類地質(zhì)條件下的強震記錄,則是最佳選擇,應(yīng)優(yōu)先采用。 人工地震加速度時程是根據(jù)隨機振動理論產(chǎn)生的符合所需統(tǒng)計特征(加速度峰 值、頻譜特征、持續(xù)時間的地震加速度時程。生成人工地震加速度時程可以有 兩條途徑:一是以規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜為目標(biāo)擬合而成; 二是對建橋橋址場地進行地 震安全性評價,以提供場地的人工地震加速度時

19、程。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化地震加速度時程由相關(guān)的規(guī)范提供, 如日本橋梁抗震規(guī)范就提供了 18組扔地震時程記錄共選用。需要特別指出的是, 采用地震加速度時程進行地震反應(yīng)分析時, 一般要選取多組 地震加速度時程以供比較分析,如美國 AASHTO 規(guī)范規(guī)定為 5組,我國公路橋梁 抗震設(shè)計細(xì)則和城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范均規(guī)定不得少于 3組(對于地震反 應(yīng)分析結(jié)果, 3組須取最大值, 7組可取平均值。地震作用的屬于偶然作用, 通常只與永久作用進行組合。 永久作用通常包括 結(jié)構(gòu)重力(恒載、預(yù)應(yīng)力、土壓力、水壓力,而地震作用通常包括地震動的作 用和地震土壓力、 水壓力等。 進行橋梁抗震設(shè)計時, 應(yīng)進行包括各種作用效應(yīng)的最不

20、利組合。在地震作用下, 除了結(jié)構(gòu)內(nèi)力反應(yīng)以外, 支座以及梁端等位移反應(yīng)需要特別 關(guān)注,為防止發(fā)生支座脫落或橋梁震害,我國城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定在 進行支座位移驗算時,還應(yīng)考慮 50%均勻溫度作用效應(yīng)。按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時,作用效應(yīng) S 應(yīng)考慮作用效應(yīng)的基本組合,必要 時尚應(yīng)考慮作用效應(yīng)的偶然組合。偶然組合公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范 :永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用某種代表值效 應(yīng)(標(biāo)準(zhǔn)值、準(zhǔn)永久值、頻遇值、一種偶然作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)的組合。偶然作用 的效應(yīng)分項系數(shù)取 1.0,地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按橋梁抗震設(shè)計細(xì)則規(guī)定采用。建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 :偶然組合的設(shè)計值宜按下列規(guī)定確定偶然荷載 的代表值 (標(biāo)準(zhǔn)值 不

21、乘分項系數(shù); 與偶然荷載同時出現(xiàn)的其他荷載可根據(jù)觀測 資料和工程經(jīng)驗采用適當(dāng)?shù)拇碇怠?各種情況下荷載效應(yīng)的設(shè)計值公式, 可由有 關(guān)規(guī)范另行規(guī)定。按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時,作用效應(yīng) Sk 應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計要求,采用作用 效應(yīng)的短期效應(yīng)組合、長期效應(yīng)組合。1、短期效應(yīng)組合永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用頻遇值效應(yīng)相組合。 nj jk j Qj m i ik Gi n j Qjk jm i Gik k Q C G C S S S 111111=+=+= 2、長期效應(yīng)組合永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用準(zhǔn)永久值效應(yīng)相組合。 nj jk j Qj m i ik Gi n j Qjk jm i Gik k Q C G C S S S 121121=+=+= 2.3橋梁抗震概念設(shè)計地震作用是一種不規(guī)則的循環(huán)往復(fù)荷載, 且具有很強的隨機性, 而橋梁結(jié)構(gòu) 的地震破壞機理十分復(fù)雜。目前人們對地震動和結(jié)構(gòu)地震破話的認(rèn)識尚不充分, 因此,要進行精準(zhǔn)的抗震設(shè)計很困難。20世紀(jì) 70年代以來,人們在總結(jié)地震災(zāi)害經(jīng)驗中提出了“抗震設(shè)計” (conceptual design 的思想,并認(rèn)為它比“數(shù)值設(shè)計”(numerical design 更為重要。 抗震設(shè)計概念是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等獲得的基本設(shè)計原則和 設(shè)計思想, 正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、 材料使用和細(xì)部構(gòu)造, 以達到合理抗震設(shè) 計的目的。