從汶川地震災(zāi)害看現(xiàn)行國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計方法_圖文

1、 第49卷第5期2009年9月大連理工大學(xué)學(xué)報Journal of Dalian U niversity of T echnologyV ol. 49, N o. 5Sept. 2009文章編號:100028608(2009 0520739209從汶川地震災(zāi)害看現(xiàn)行國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計方法貢金鑫3, 王雪婷, 張勤(大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院, 遼寧大連116024摘要:地震區(qū)的工程結(jié)構(gòu)要進(jìn)行抗震設(shè)計, 密切關(guān)系. 結(jié)合汶川地震橋梁的破壞情況, 對我國、日本、歐洲求進(jìn)行了分析. 結(jié)果表明, , 但也與. 新頒布的橋, 但仍需要進(jìn)一步改進(jìn).; TU442. 55文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A0引言2008年5月12

2、日發(fā)生的四川汶川里氏8. 0靠性要求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平所確定的統(tǒng)一的抗震技術(shù)要求, 是指在抗震設(shè)防中如何根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已定的設(shè)防目標(biāo), 并考慮具體的社會經(jīng)濟(jì)條件來確定多大的設(shè)防參數(shù). 橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的制定不僅僅是一個技術(shù)問題, 還是一個經(jīng)濟(jì)問題, 上升到國家層面則是一個政策問題. 橋梁破壞造成的損失除直接損失外, 更為主要的是間接損失, 這在汶川地震中進(jìn)一步得到證明. 汶川及其他重災(zāi)區(qū)地處山區(qū), 橋梁屬于交通要道的咽喉, 橋梁破壞給救災(zāi)造成了極大的困難, 救援人員不能及時進(jìn)入現(xiàn)場, 救援物資不能及時運(yùn)達(dá)災(zāi)區(qū), 嚴(yán)重影響了抗震救災(zāi)效果.與我國上一版的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范J TJ 004892采用

3、的單水準(zhǔn)設(shè)計方法不同, 新頒布的3公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則采用了雙設(shè)防水準(zhǔn),級大地震給我國人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失. 據(jù)統(tǒng)計, 近90000人遇難或失蹤, 損壞房屋346×104間1, 同時造成大量交通生命線工程破壞,24條高速公路、161條國省干線、8618條鄉(xiāng)村公路、6140座橋梁和156條隧道受損, 單交通設(shè)施的損失就達(dá)670億元, 其中橋梁損毀最為嚴(yán)重.從總體上看, 本次汶川地震橋梁的破壞與以往國內(nèi)外地震橋梁的破壞情況相似, 上部結(jié)構(gòu)以落梁、梁移位、梁端撞擊、支座損壞、橋面伸縮縫損壞等為主, 下部結(jié)構(gòu)以墩柱破壞、擋塊損壞、蓋梁損壞、橋頭損壞等為主. 為加深對橋梁抗震性能的了

4、解, 審視國外橋梁抗震規(guī)范對橋梁抗震設(shè)計規(guī)定的合理性, 本文對我國及國外橋梁抗震設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了分析. 限于篇幅, 本文的分析只限于橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、地震計算、能力設(shè)計及縱向鋼筋和橫向鋼筋的構(gòu)造等與橋梁安全密切相關(guān)的幾個方面, 對支座、連接、地基等方面沒有論及.這與目前國際上的建筑物抗震設(shè)計思想是相同的, 表13示出了不同國家橋梁抗震設(shè)計采用的多設(shè)計水準(zhǔn)及設(shè)防目標(biāo). 由表可以看出, 多水準(zhǔn)設(shè)計是目前橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要發(fā)展方向. 本次汶川地震也證明了采用多水準(zhǔn)抗震設(shè)計的合理性. 按我國地震區(qū)劃圖, 汶川映秀鎮(zhèn)的抗震設(shè)防烈度為7度, 但本次地震實際烈度為11度, 高出4度, 盡管有些橋梁破壞嚴(yán)重,

5、但并沒有完全倒塌, 如綿池大橋和高店大橋在震后仍能保持運(yùn)營, 在抗震1橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和抗震等級1. 1設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn), 是指橋梁按照規(guī)定的可收稿日期:2009203210; 修回日期:2009208215.基金項目:教育部創(chuàng)新團(tuán)隊資助項目(IR T0518 ; 國家自然科學(xué)基金資助項目(重點項目90815027 . 作者簡介:貢金鑫3(19642 , 男, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師,E 2mail :gong_jx.vip eyou. com. 740大連理工大學(xué)學(xué)報第49卷救災(zāi)工作中起了關(guān)鍵作用. 這兩座橋于1989年后建成, 按照J(rèn) TJ 00489進(jìn)行抗震設(shè)計, 盡管沒有進(jìn)

6、行專門的“大震不倒”設(shè)計, 但在一定程度上具備了“大震不倒”的能力4. 廟子坪大橋距震中映秀鎮(zhèn)不遠(yuǎn), 主橋是剛構(gòu)結(jié)構(gòu), 由于設(shè)計時采用了適當(dāng)?shù)目拐鸫胧? 地震中主橋表現(xiàn)出良好的抗震性能, 只是引橋(簡支梁橋 出現(xiàn)了落梁現(xiàn)象. 這說明按J TJ 00489規(guī)范設(shè)計的橋梁具有一定的抗震能力, 但還需要進(jìn)一步改進(jìn), 特別是震后維修、應(yīng)急使用方面.表1地震動和抗震性能水平Tab. 1Ground motion and seismic performance levels規(guī)范地震動A 類E1地震作用B 類C 類E2B C 類D 類(極限狀態(tài)我國J T G/TB022012008, 不需修復(fù)或經(jīng)簡單修復(fù)可

7、繼續(xù)使用應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷, 經(jīng)臨時加固可供維持應(yīng)急交通使用應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷, 經(jīng)臨時加固可供維持應(yīng)急交通使用其他橋梁應(yīng)能對所有車輛開放至少應(yīng)能保證對應(yīng)急車輛或?qū)Π踩蛧揽紤]的車輛開放對應(yīng)急車輛或?qū)Π踩蛧揽紤]的車輛開放可立即使用:地震發(fā)生后即可完全恢復(fù)正常交通可立即使用:地震發(fā)生后即可完全恢復(fù)正常交通可修復(fù)損壞:在喪失功能最小風(fēng)險下?lián)p壞可修復(fù)輕微損壞:仍保持彈性性能有限損壞:地震數(shù)天內(nèi)可有限使用, 幾個月內(nèi)可完全恢復(fù)使用可立即使用:地震發(fā)生后幾乎可完全恢復(fù)正常交通嚴(yán)重破壞:倒塌的風(fēng)險很小, 但需封閉進(jìn)行修復(fù)可修復(fù)破壞:在喪失功能最小風(fēng)險下?lián)p壞可修復(fù)一般橋梁重

8、要橋梁重要橋梁普通橋梁重要橋梁普通橋梁重要橋梁普通橋梁重要橋梁普通橋梁重要橋梁美國橋梁設(shè)計規(guī)范AASH TO L RFD 2007設(shè)計地震(重現(xiàn)期475a 最大可信地震(重現(xiàn)期2000a 功能評估(水準(zhǔn)1, 重現(xiàn)期使用水準(zhǔn)損壞水準(zhǔn)使用水準(zhǔn)損壞水準(zhǔn)使用極限狀態(tài)(損壞最小 承載能力極限狀態(tài)(不倒塌美國Caltrans475a 安全評估(水準(zhǔn)2, 重現(xiàn)期2000a 歐洲EN 199822:2005水準(zhǔn)1(重現(xiàn)期95a 水準(zhǔn)2(重現(xiàn)期475a 水準(zhǔn)1水準(zhǔn)2(重現(xiàn)期450a 水準(zhǔn)3設(shè)計地震發(fā)生后, 設(shè)計用來消耗能量的結(jié)構(gòu)部位只發(fā)生輕微破壞, 破壞不會導(dǎo)致交通量減小, 無需立即修復(fù)設(shè)計地震發(fā)生后, 盡管結(jié)

9、構(gòu)的某些部分遭到較大程度的破壞, 但結(jié)構(gòu)仍能保持其整體性和有足夠的殘余承載力結(jié)構(gòu)受到輕微破壞但不影響交通盡管結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞, 但仍可用于應(yīng)急交通, 需進(jìn)行臨時性修復(fù). 通過進(jìn)行永久性修復(fù)可恢復(fù)設(shè)計的交通能力和承受地震作用的能力破壞較嚴(yán)重, 但結(jié)構(gòu)不應(yīng)倒塌. 盡管承載力降低, 但進(jìn)行臨時修復(fù)后可用于緊使用極限狀態(tài)新西蘭(橋梁手冊承載能力極限狀態(tài)在我國規(guī)范J T G/T B022012008中, 盡管采用E1和E2兩個水準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計, 但對于不同的橋梁類別, 兩個水準(zhǔn)的地震強(qiáng)度是不同的. 對于A 類橋梁, E1地震作用的重現(xiàn)期為475a (中震不壞 , E2地震作用的重現(xiàn)期為2000a (大震不倒

10、 ; 對于B 和C 類橋梁, E1地震作用的重現(xiàn)期為50100a (小震不壞 、中震可修(重現(xiàn)期475a , E2地震作用的重現(xiàn)期為2000a (大震不倒 ; 對D 類橋梁, E1地震作用的重現(xiàn)期為25a(小震不壞 .(J RA 1996 的抗日本公路橋梁設(shè)計規(guī)范震部分在1995年阪神地震后做了比較大的改進(jìn), 采用了兩個水準(zhǔn)的設(shè)計方法. 2002版5的規(guī)范則進(jìn)一步發(fā)展為基于性能的抗震設(shè)計方法, 仍采用兩個設(shè)計水準(zhǔn), 如表2所示, 抗震性能水平見表3. 美國Calt rans 規(guī)范6也屬于基于性能的抗震設(shè)計方法, 這是目前國際上在橋梁抗震設(shè)計中最早采用性能設(shè)計的兩本規(guī)范. 第5期貢金鑫等:從汶川

11、地震災(zāi)害看現(xiàn)行國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計方法表2抗震性能目標(biāo)(J RA 2002Tab. 2Seismic performance objectives (J RA 2002設(shè)計地面運(yùn)動類型水準(zhǔn)1地震:高發(fā)生概率標(biāo)準(zhǔn)橋梁(A 型SPL1:避免破壞741重要橋梁(B 型SPL1:避免破壞水準(zhǔn)2地震:低發(fā)生概率板內(nèi)地震(型 陸內(nèi)地震(型SPL3:避免明顯的破壞SPL2:為能夠恢復(fù)功能, 有限程度的破壞表3抗震性能水平Tab. 3Seismic performance levels抗震性能水平SPL1SPL2SPL3安全性上部結(jié)構(gòu)不脫開上部結(jié)構(gòu)不脫開使用功能, 臨時修復(fù)可恢復(fù)功能長期簡單的修復(fù)永久性修復(fù)比較

12、容易1. 2抗震等級不同要求. 表4示出了我國規(guī)范J T G/T B022012008、歐洲規(guī)范EN 199822:20057和新西蘭橋梁橋梁類別是根據(jù)橋梁的重要性和在抗震救災(zāi)中起的作用, 本著確保重點工程和節(jié)約投資的原則, 在抗震設(shè)計中對橋梁劃分的類別, 反映著在同等強(qiáng)度的地震下, 對橋梁的安全性和使用功能的手冊8對橋梁類別的劃分和采用的重要性系數(shù), 表5給出了AASH TO L RFD 20079的反應(yīng)修正系數(shù).表4各橋梁抗震設(shè)防類別重要性系數(shù)Tab. 4Important coefficient of seismic fortification for bridges設(shè)防類別A 類B 類

13、C 類D 類適用范圍單跨跨徑超過150m 的特大橋單跨跨徑不超過150m 的高速公路、一級公路上的橋梁,單跨跨徑不超過150m 的二級公路上的特大橋、大橋二級公路上的中橋、小橋, 單跨跨徑不超過150m 的三、四級公路上的特大橋、大橋三、四級公路上的中橋、小橋310. 851. 31. 151E1地震作用1. 00. 43(0. 5 0. 340. 23E2地震作用1. 71. 3(1. 7 1. 0我國J T G/TB022012008歐洲EN 199822:2005日通行量大于25002502500新西蘭NZ小于250表5反應(yīng)修正系數(shù)R 2下部結(jié)構(gòu)Tab. 5Response correc

14、tion coefficient R 2substructure 下部結(jié)構(gòu)大尺寸墻式墩鋼筋混凝土樁剛構(gòu)單樁鋼或鋼2混凝土組合樁剛構(gòu)多柱剛構(gòu)只有豎直樁有斜樁只有豎直樁有斜樁重要性等級重要橋梁1. 51. 51. 51. 51. 51. 51. 5一般橋梁1. 52. 01. 52. 03. 52. 03. 5其他橋梁2. 03. 02. 03. 05. 03. 05. 0 742大連理工大學(xué)學(xué)報在我國規(guī)范J T G/T B022012008中, 重要第49卷運(yùn)動不隨橋梁的重要性而變化,2002版的橋梁規(guī)范不再對地震力乘重要性系數(shù), 而是考慮在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計延性系數(shù)的計算中, 即該系數(shù)反映了結(jié)構(gòu)或構(gòu)

15、件可接受的破壞程度.性系數(shù)是根據(jù)橋梁設(shè)防類別和地震動強(qiáng)度確定的, 該系數(shù)也包含著考慮橋梁彈塑性影響、規(guī)范J TJ 00489所稱的綜合延性系數(shù). 美國規(guī)范AASH TO L RFD 2007的反應(yīng)修正系數(shù)是按橋梁類別和結(jié)構(gòu)形式給出的, 該系數(shù)同樣也包括了結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)的影響. 歐洲規(guī)范EN 199822:2005的重要性系數(shù)是按橋梁重要性給出的, 不包括橋梁彈塑性反應(yīng)的影響, 反映彈塑性效應(yīng)的系數(shù)另外給出. 新西蘭橋梁設(shè)計手冊采用的危險系數(shù)也是只反映橋梁本身的重要性, 與延性無關(guān), 與其他規(guī)范不同的是, 的車輛數(shù)量確定的Calt rans “延性和風(fēng)險調(diào)整系數(shù)”, 20世紀(jì)70年代中期到90年

16、代初期采用的系數(shù)與橋梁的基本周期有關(guān). 自20世紀(jì)90年代中期開始, Calt rans 采用A TC 23210建議的Z 值, 如圖1所示, 延性結(jié)構(gòu)和有限2地震反應(yīng)計算橋梁地震作用的計算方法有反應(yīng)譜法、動力時程法和擬靜力法. 反應(yīng)譜法是目前應(yīng)用最廣泛的方法; 2over 是近年提出, 評估橋梁的力2變形曲線(能力曲線 以及塑性鉸達(dá)到目標(biāo)位移的變形要求. 日本橋梁規(guī)范J RA 2002、歐洲規(guī)范EN 199822:2005和美國規(guī)范Caltrans 中均有關(guān)于用擬靜力法進(jìn)行分析的規(guī)定. 2. 1反應(yīng)譜法反應(yīng)譜法是根據(jù)結(jié)構(gòu)彈性反應(yīng)分析結(jié)果建立的, 反映了震源特性、場地類別, 各國家規(guī)范以不同的

17、方式考慮了橋梁結(jié)構(gòu)彈塑性和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別的影響. 從形狀上看, 不同國家規(guī)范采用的反應(yīng)譜是類似的, 但實質(zhì)上有著很大不同.我國規(guī)范、日本橋梁規(guī)范及新西蘭手冊采用的加速度反應(yīng)譜是用兩段或三段曲線表示的, 歐洲規(guī)范則是用四段曲線表示的, 這四段曲線分別表示了加速度的增大段、常數(shù)反應(yīng)加速度段、常數(shù)反應(yīng)速度段和常數(shù)反應(yīng)位移段, 這與結(jié)構(gòu)短周期、中周期和長周期反應(yīng)分別受加速度、速度和位移控制的特點是相適應(yīng)的, 反映了結(jié)構(gòu)不同周期時的峰值反應(yīng). 當(dāng)時為補(bǔ)充美國AASH TO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范而編寫的美國公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范(SCDO T 2002 11則采用了以譜反應(yīng)加速度表達(dá)的地震反應(yīng)譜, 按有效峰值加速度和

18、有效峰值速度確定加速度譜平臺段的起止, 合理反映了中等周期結(jié)構(gòu)反應(yīng)速度的影響, 這種反應(yīng)譜在美國(IBC 2007 12中已得到應(yīng)用. 另國際建筑規(guī)范外在歐洲規(guī)范中, 除給出了彈性反應(yīng)譜外, 還給出了彈性反應(yīng)譜經(jīng)性能系數(shù)q (反映了結(jié)構(gòu)的延性 調(diào)整后的設(shè)計反應(yīng)譜.如圖2所示, 日本橋梁規(guī)范J RA 2002采用了兩種類型的反應(yīng)譜, 圖2(a 的反應(yīng)譜用于橋梁使用性能的計算, 圖2(b 用于安全評估的計算. 在安全評估中, 采用I 型和II 型兩種地面運(yùn)動. I 型代表了1923年的Kanto 地震(7. 9級 在東京延性結(jié)構(gòu)采用的系數(shù)是不同的. 該系數(shù)的確定部分是基于典型結(jié)構(gòu)位移延性的理論分析

19、, 部分是基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險和對超靜定性的判斷. 對于長周期結(jié)構(gòu), 根據(jù)反應(yīng)修正系數(shù)計算的位移延性近似等于目標(biāo)位移延性; 對于短周期結(jié)構(gòu), 反應(yīng)修正系數(shù)趨近于 1.先前版本的日本規(guī)范中是通過對計算的地震力乘重要性系數(shù)考慮橋梁重要性的. 考慮到地面 第5期貢金鑫等:從汶川地震災(zāi)害看現(xiàn)行國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計方法743產(chǎn)生的地面運(yùn)動, 該次地震造成的損失慘重, 在日本被視為具有代表性的地震地面運(yùn)動; II 型為近場地面運(yùn)動, 是根據(jù)1995年的阪神地震確定的13. 日本橋梁規(guī)范另一個比較獨特的地方是認(rèn)為阻尼比隨結(jié)構(gòu)基本周期增大而減小, 具有如下關(guān)系=0. 02/ T.次強(qiáng)震發(fā)生在映秀北川斷裂之上, 宏觀震中

20、位于映秀鎮(zhèn)西南的牛圈溝蔡家杠村附近14. 破裂面南端從映秀至漢旺, 主要以逆沖為主、兼具右旋走滑分量, 時間從046s , 釋放的地震矩約占總地震矩的80%.破裂面南端控制區(qū)域內(nèi)的橋梁破壞相當(dāng)嚴(yán)重, 此次地震中發(fā)生垮塌的橋梁絕大多數(shù)都集中在這一區(qū)域及其周邊. 其中幾座典型的橋梁均處在斷層的上盤, 結(jié)構(gòu)同時受到巨大的豎向和水平向地震力作用. , 橋長495. 5530. 87m. 跨徑組合為4×25m +5×25m +50m +3×25m +5×20m +2×20m , 平面位于R =150m 的左偏圓曲線、192. 601m 直線以及R =66

21、m 的右偏圓曲線上. 大橋橋位地處斷層上盤, 強(qiáng)大的逆沖作用使結(jié)構(gòu)承受巨大的超重作用, 導(dǎo)致橋墩軸壓比成倍擴(kuò)大, 其內(nèi)的縱向鋼筋和混凝土的壓應(yīng)力陡增, 極大地限制了結(jié)構(gòu)延性性能的發(fā)揮, 基本以脆性的彎剪破壞為主, 甚至出現(xiàn)了壓潰型破壞15.近場地震的危險性已在世界范圍內(nèi)得到公認(rèn), 所以各國規(guī)范都有相應(yīng)的規(guī)定. 我國規(guī)范J TJ /T B022012008規(guī)定, 橋址距有發(fā)生6. 5級以上地震潛在危險的地震活動斷層30km 以內(nèi)時,A 類橋梁工程場地地震安全性評價應(yīng)考慮近場斷裂效應(yīng), 包括上盤效應(yīng)、破裂的方向性效應(yīng); B 類橋梁工程場地地震安全性評價中, 要選定適當(dāng)?shù)脑O(shè)定地震. 美國規(guī)范AASH

22、 TO L RFD 2007規(guī)定對于靠近活動斷層和處于長周期場地的橋梁的地面加速度應(yīng)進(jìn)行專門的研究. 歐洲橋梁規(guī)范EN 199822:2005規(guī)定當(dāng)場地距已知活動斷層10km 的范圍內(nèi)時, 應(yīng)采用考慮近場效應(yīng)的特定場地反應(yīng)譜進(jìn)行設(shè)計. 新西蘭橋梁手冊要求, 對于10km 范圍內(nèi)有重現(xiàn)期等于或小于1000a 活動斷層的場地, 應(yīng)根據(jù)特定場地的地震危險性分析確定設(shè)計地震荷載. 日本橋梁規(guī)范J RA 2002中II 型地面運(yùn)動的反應(yīng)譜即為考慮近場效應(yīng)的反應(yīng)譜, 所以盡管各國規(guī)范都規(guī)定了考慮靠近于活動斷層場地橋梁抗震設(shè)計專門的要求, 但只有日本橋梁規(guī)范是便于設(shè)計人員操作的.Caltrans 規(guī)范給出的

23、加速度反應(yīng)譜是光滑的曲線, 同時給出了位移反應(yīng)譜, 除進(jìn)行強(qiáng)度和能力設(shè)計外, 還要求根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的整體位移對橋梁進(jìn)行設(shè)計, 所以Caltrans 規(guī)范是基于位移的設(shè)計規(guī)范. 2. 2近場效應(yīng)當(dāng)靠近震源時(小于1015km , 地震地面運(yùn)動通常含有一個中到長周期(0. 55s 地面運(yùn)動的高能脈沖, 這種高能脈沖出現(xiàn)在斷裂帶向場地方向延伸時. 研究表明, 這種脈沖表現(xiàn)為極強(qiáng)的方向性, 垂直于走向斷裂的分量大于平行于走向斷裂的分量.本次汶川地震發(fā)生在四川龍門山逆沖推覆構(gòu)造帶上. 該構(gòu)造帶是青藏高原內(nèi)部巴顏喀喇地塊和中國東部華南地塊的邊界構(gòu)造帶, 經(jīng)歷了長期的地質(zhì)演化歷史, 具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造.

24、 晚新生代的構(gòu)造變形主要集中在灌縣江油斷裂(前山斷裂 、映秀北川斷裂(中央斷裂 和汶川茂縣斷裂(后山斷裂 及其相關(guān)褶皺之上, 這3能力設(shè)計能力設(shè)計是20世紀(jì)70年代新西蘭學(xué)者Paulay 提出的一種抗震設(shè)計方法, 其原理是通過744 大 連 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報 第 49 卷 對結(jié)構(gòu)體系中延性破壞和脆性破壞發(fā)生次序先后 進(jìn)行分級 ,利用結(jié)構(gòu)的延性抑制結(jié)構(gòu)脆性破壞的 發(fā)生 . 實現(xiàn)能力破壞的基本途徑是保證結(jié)構(gòu)塑性 鉸出現(xiàn)在預(yù)定位置和地震反復(fù)作用下不破壞 . 圖 3 所示為汶川地震時百花大橋兩個橋柱的 破壞情況 . 在圖 3 ( a 中 , 一個橋柱發(fā)生了彎曲破 壞 ,而中間的連梁保持完好 ;

25、而圖 3 ( b 中 ,兩個橋 柱保持完好 ,中間的連梁發(fā)生了彎曲破壞 . 由于中 間連梁只是起連接橋柱的作用而不直接承受橋面 傳來的豎向荷載 , 它的破壞保全了承受豎向荷載 的橋柱 , 不會影響橋梁的安全 , 對其進(jìn)行維修 , 橋 梁即可繼續(xù)使用 . 這種設(shè)計是能力設(shè)計的一個成 功范例 . 對于圖 3 ( a 中所示的破壞形式 , 橋梁柱 遭到破壞 ,維修比較困難 ,需要拆除重建 . 的剪切破壞 ,要求對構(gòu)件的抗剪進(jìn)行能力設(shè)計 ,即 根據(jù)構(gòu)件塑性鉸處的抗彎強(qiáng)度確定超強(qiáng)抗彎強(qiáng) 度 ,根據(jù)超強(qiáng)抗彎強(qiáng)度確定橋墩的抗剪承載力 . 超 強(qiáng)系數(shù)考慮了構(gòu)件材料強(qiáng)度的變異性和鋼筋應(yīng)變 硬化等因素 ,但不同規(guī)

26、范采用的超強(qiáng)系數(shù)不同 . 我 國規(guī)范 J T G/ T B02201 2008 要求橋梁的基礎(chǔ) 、 蓋梁 、 梁體及墩柱取 1. 2 ; 美國規(guī)范 Calt rans 采用 1. 2 ; 歐洲規(guī)范取 1. 35 ,當(dāng)約束混凝土截面的軸壓 比 ( 混凝土強(qiáng)度取特征值 大于 0 . 1 時 , 超強(qiáng)系 k 數(shù)乘 1 + 2 ( - 0 . 1 2 ; 新西蘭規(guī)范取大于 1 的 k 值 . 我國規(guī)范 J TJ 004 基本沒有關(guān)于能力設(shè) 89 計的規(guī)定 . 在 1990 年版的日本橋梁設(shè)計規(guī)范中 ,鋼筋混 凝土墩的設(shè)計采用延性驗算的方法 . 受 1995 年阪 神地震的影響 , 在 1996 年版的

27、規(guī)范中 , 將由地震 效應(yīng)起控制作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件修改為 “延性設(shè)計方 法”關(guān)于延性分析中極限位移的定義 , 日本橋梁 . 規(guī)范將極限位移定義為保證構(gòu)件荷載2位移包絡(luò) 線上屈服能力的最大位移 , 歐洲規(guī)范定義為構(gòu)件 至少承受 5 個完全荷載循環(huán)而設(shè)計抵抗力下降不 超過 20 %的變形 . 新西蘭規(guī)范定義為承受 80 %水 平力的極限位移 . 美國 Calt rans 規(guī)范早在 20 世紀(jì) 70 年代中期 就引入了延性設(shè)計的規(guī)定 , 將強(qiáng)震下的非彈性變 形限制于橋柱和墻式墩的塑性區(qū) . 根據(jù)延性的不 同 ,A TC232 建議將橋梁分為 4 種類型 : 充分延性 結(jié)構(gòu) 、 有限延性結(jié)構(gòu) 、 彈性結(jié)構(gòu)

28、和有保護(hù)系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu) ,設(shè)置了隔震 、 被動耗能裝置或其他極限裝置來 控制地震反應(yīng)的結(jié)構(gòu) . 歐洲規(guī)范 EN 199822 : 2005 將橋梁分為延性 性能和有限延性性能兩種形式 . 對于按設(shè)計的鋼 筋混凝土延性構(gòu)件 , 規(guī)定了不同構(gòu)件的性能系數(shù) q. q 除以彈性反應(yīng)譜值 , 即得到規(guī)定延性要求的 地震作用 , 根據(jù)軸壓比調(diào)整性能系數(shù) q 來考慮對 混凝土橋梁的延性設(shè)計 . 事實上 ,當(dāng)構(gòu)件的軸壓比 很大時 , 構(gòu)件的延性迅速降低 . 所以 , 不考慮構(gòu)件 的軸壓比而進(jìn)行設(shè)計使結(jié)構(gòu)具有規(guī)定的延性是不 切實際的 . 豎向地震作用使橋墩軸壓比增大延性 降低而被壓潰的例子很多 , 圖 4 為四川

29、綿竹回瀾 立交橋墩頂?shù)钠茐那闆r 1 . 這種立交橋不通行車 輛 ,橋墩比較細(xì) , 但自重作用產(chǎn)生的軸壓比較大 , 橋墩幾乎沒有塑性變形能力 , 所以地震作用下很 快被壓潰 . 當(dāng)然這種破壞形式也與約束箍筋不足 有關(guān) . 在橋梁抗震設(shè)計中 , 要求上部結(jié)構(gòu)除次要構(gòu) 件 ( 如伸縮縫 、 欄桿 外 , 均要按保持彈性狀態(tài)設(shè) 計 . 對延性的下部結(jié)構(gòu) ,實現(xiàn)上述能力設(shè)計方法的 關(guān)鍵是選取希望的結(jié)構(gòu)破壞方式 、 構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造 , 以確保發(fā)生強(qiáng)烈地震時結(jié)構(gòu)具有預(yù)期的性能 . 對 單柱或多柱的下部結(jié)構(gòu) ,考慮檢修和加固 ,設(shè)計應(yīng) 使塑性鉸出現(xiàn)在柱上 , 而不是出現(xiàn)在基礎(chǔ)上 ( 柱 腳、 樁帽或樁 . 為避

30、免橋梁構(gòu)件在出現(xiàn)塑性鉸之前發(fā)生脆性 5期 第 貢金鑫等 : 從汶川地震災(zāi)害看現(xiàn)行國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計方法 745 在各規(guī)范抗剪計算公式中 , 日本規(guī)范的公式 考慮的因素包括荷載循環(huán)次數(shù) 、 構(gòu)件有效高度 、 延 性要求 、 軸力 , 不但比較全面 , 而且建立了構(gòu)件發(fā) 生彎曲破壞 、 剪切破壞和彎曲后剪切破壞的條件 . 新西蘭橋梁手冊只考慮了軸力的有利作用和縱筋 配筋率的影響 ,相對比較簡單 ; 歐洲規(guī)范的計算方 法與一般情況下抗剪承載力的計算方法基本一 致 ,但具有更高的安全度 . 美國規(guī)范 Calt rans 的 構(gòu)件抗剪強(qiáng)度公式考慮了構(gòu)件延性要求和軸力的 影響 ,要求的延性越高 ,構(gòu)件塑性

31、鉸區(qū)的抗剪強(qiáng)度 越低 ; 我國規(guī)范是將美國規(guī)范 Calt rans 的抗剪公 式進(jìn)行簡化得到的 , 忽略了配箍率 、 箍筋屈服強(qiáng) 度、 構(gòu)件位移延性和軸力的影響 ,比較保守 . 4. 2 變形驗算 變形驗算是對地震下橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能兩方 面的要求 , 在小地震作用下 , 要求結(jié)構(gòu)不損壞 , 屬 于使用性要求 ,此時結(jié)構(gòu)或構(gòu)件處于彈性狀態(tài) . 在 強(qiáng)烈地震下 ,結(jié)構(gòu)處于非線性狀態(tài) ,結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足要 求的變形能力而不倒塌 . 我國規(guī)范 J T G/ T B022 01 2008 沒有對 E1 地震下橋梁的彈性計算提出 要求 ,要求驗算 E2 地震下 B 類和 C 類橋梁墩柱 塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力和支座的

32、變形 . 歐洲規(guī)范 EN 199822 :2005 要求進(jìn)行極限狀態(tài)下延性結(jié)構(gòu)塑性 鉸轉(zhuǎn)動能力的驗算和結(jié)構(gòu)位移的驗算 . 美國規(guī)范 Calt rans 要求橋梁的整體變形 . 很多鋼筋混凝土墩在底部發(fā)生彎曲破壞后雖 未倒塌 , 但發(fā)生傾斜 , 頂部有很大的殘余位移 . 在 日本 ,1995 年阪神地震后由于墩傾斜使上部結(jié)構(gòu) 歸位比較困難 , 要拆除大約 100 個傾斜角度超過 ( 1°1. 75 %偏移 的墩而重新建造 , 資金和工作量 投入巨大 . 所以 ,1996 版的日本橋梁規(guī)范對震后 墩的殘余位移提出了要求 . 4 強(qiáng)度和變形驗算 強(qiáng)度是保證橋梁結(jié)構(gòu)具有抗震承載力的一個 方面

33、 ,延性是使結(jié)構(gòu)具有地震適應(yīng)性 、 消耗地震作 用力 、 保護(hù)橋梁不發(fā)生災(zāi)難性倒塌的另一個方面 , 兩者具有同等的重要性 . 4. 1 抗剪承載力驗算 剪切破壞屬于脆性破壞 ,容易導(dǎo)致橋梁倒塌 . 所以各國規(guī)范都要求對橋柱或橋墩的抗剪進(jìn)行能 力設(shè)計 . 橋柱或橋墩的抗剪包括兩個方面 ,一是塑 性鉸區(qū)之外的抗剪 ; 另一是塑性鉸區(qū)的抗剪 . 塑性 鉸區(qū)的抗剪與塑性鉸區(qū)之外的抗剪有所不同 . 在 塑性鉸區(qū) ,由于混凝土和縱向鋼筋均進(jìn)入非線性 狀態(tài) ,其抗剪能力比塑性鉸區(qū)之外的低 ,與要求的 延性有關(guān) ,這種破壞形式近年受到比較多的關(guān)注 16 和研究 15 、 . 汶川地震中 , 因為塑性鉸區(qū)抗剪承

34、 載力不足而發(fā)生剪切破壞的情況比較多 . 圖 5 為 本次汶川地震中典型的橋柱破壞形式 1 . 5 鋼筋構(gòu)造要求 5. 1 縱向鋼筋 圖5 汶川地震橋柱的破壞形式 Fig. 5 Failure mode of bridge piers in Wenchuan earthquake 縱向鋼筋是鋼筋混凝土橋梁的主要受力鋼 筋 ,其用量除影響構(gòu)件的承載力外 ,還影響構(gòu)件的 延性和能力設(shè)計 . 所以規(guī)范中對縱向鋼筋的最小 和最大用量都有具體規(guī)定 , 如表 6 所示 . 除此之 外 ,縱向鋼筋的錨固長度也非常重要. 在 1995 年的 日本阪神地震中 ,很多鋼筋混凝土橋墩由于縱向鋼 筋截斷過早而在中高截

35、面發(fā)生彎剪破壞 ,因為通常 縱向鋼筋截面位置是根據(jù)彎矩確定的 ,沒有考慮彎 剪作用下出現(xiàn)斜裂縫而使縱向鋼筋應(yīng)力加大 . 746 大 連 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報 表6 不同規(guī)范對縱向鋼筋的規(guī)定 第 49 卷 計算結(jié)果按曲率延性系數(shù) 5 和 10 考慮 . 由圖 6 可 以看出 ,我國規(guī)范的最小配箍率比美國 AC T232 6 中沒有示出新西蘭橋梁手冊計算結(jié)果的下限 . Tab. 6 Regulations of longit udinal reinforcement in different codes 規(guī)范 我國規(guī)范 J TJ 004 89 我國規(guī)范 J T G/ T B02201 2008

36、美國規(guī)范 Calt rans 美國規(guī)范 AASH TO 歐洲規(guī)范 EN 199822 規(guī)范 墩柱彎曲方向的截面寬度 最小值 0. 004 0. 008 0. 01 0. 01 和歐 洲 規(guī) 范 的 低 , 在 軸 壓 比 較 小 時 較 美 國 最大值 0. 04 0. 04 0. 06 AA S H TO 規(guī) 范 低 , 軸 壓 比 較 大 時 較 美 國 AA S H TO規(guī)范高 . 需要說明的是 , 確定新西蘭橋 梁手冊的最小配箍率的下限時需要考慮縱向鋼筋 直徑和箍筋間距 , 參數(shù)較多 , 不便于比較 , 所以圖 一些規(guī)范也從保證受壓鋼筋不被壓屈的角度 5. 2 橫向鋼筋 橫向鋼筋除可承

37、擔(dān)構(gòu)件的剪力和扭矩外 , 另 外兩個作用是防止縱向受壓鋼筋壓屈和約束橋墩 核心混凝土 , 特別是塑性鉸區(qū) , 橫向鋼筋需要加 密 ,如表 7 所示 . 表7 不同規(guī)范對加密區(qū)橫向鋼筋的規(guī)定 Tab. 7 Regulations of t ransverse reinforcement in t he intensive zone in different codes 箍筋間距 對橫向鋼筋的間距進(jìn)行了規(guī)定 . 我國規(guī)范 J TJ 004 89 8 度和 8 度以上地區(qū)小于 100 mm , 直徑不小于 8 mm min ( b/ 4 , 6 d s , 100 mm , 直 徑 不 小 距要求外

38、 , 還需滿足最小配筋量要求 . 我國規(guī)范 、 美國 A TC232 、 歐洲規(guī)范和新西蘭橋梁手冊都考 慮了軸壓比的影響 ,這是非常重要的 ,因為軸力越 大 ,越需要箍筋的約束 . 對百花大橋橋墩箍筋的現(xiàn) 場測量表明 15 ,橋墩所配螺旋箍筋為 H RB235 級 低于我國規(guī)范 J T G 004 規(guī)定的最小配箍率 89 0. 3 % , 導(dǎo)致核心混凝土幾乎沒有約束 , 其極限應(yīng) 力和應(yīng)變大大降低 ,橋墩幾乎沒有延性性能 ,所以 一些橋墩出現(xiàn)了壓潰現(xiàn)象 . 另外新西蘭橋梁手冊 還考慮了構(gòu)件曲率延性系數(shù)的影響 , 要求的延性 越大 ,需要的配箍率也越高 ,這也是合理的 . 圖 6 給出了不同規(guī)范

39、塑性鉸區(qū)最小體積配箍 率的比較 , 其中混凝土采用 C35 , 縱向鋼筋采用 H RB335 ,箍筋采用 H PB235 , 新西蘭橋梁手冊的 < 8 鋼筋 ,間距為 200 mm ,配箍率僅為 0. 06 % ,遠(yuǎn) 我國規(guī)范 J T G/ T B022 01 2008 日本規(guī)范 J RA 2002 美國規(guī)范 Calt rans 美國規(guī)范 AAS H TO 歐洲規(guī)范 EN 199822 新西蘭橋梁手冊 于 10 mm 150 mm ,直徑不小于 13 mm min ( bcmin / 5 , 6 d b , 220 mm min ( bcmin / 4 , 100 mm min ( 6

40、d b , bcmin / 5 min ( 6 d b , bcmin / 4 注 : d b 、 s 為縱向鋼筋直徑 ; bcmin 為構(gòu)件的最小邊長尺寸 ; b 為 d 塑性鉸區(qū)橫向鋼筋間距除要滿足表 7 中的間 6 結(jié) 語 科學(xué)研究是抗震減災(zāi)的基礎(chǔ) ,標(biāo)準(zhǔn)是保障 . 本 文從規(guī)范角度對我國汶川大地震橋梁的破壞情況 進(jìn)行了審視 . 汶川地震橋梁破壞的主要原因是地 震的實際烈度大大超過設(shè)防烈度 , 其次是一些橋 梁的設(shè)計不符合橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的要求 , 與國 5期 第 貢金鑫等 : 從汶川地震災(zāi)害看現(xiàn)行國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計方法 747 外的規(guī)范相比 ,當(dāng)時的橋梁抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低 ,抗 震設(shè)計方

41、法也不夠完善 . 新頒布的橋梁抗震設(shè)計 細(xì)則已經(jīng)有了很大的改進(jìn) ,但與國外規(guī)范相比 ,尚 有需要進(jìn)一步改進(jìn)之處 . Amendment No . 1 S. Wellington : Transit New Zealand , 1995 9 AASH TO. American AASH TO Association of L RFD State Bridge Design and Specifications , 4t h Editio n S. Washington D C : Highway Transpo rtation Officials , 2007 10 A TC. Imp rove

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