橋梁的延性抗震設(shè)計理念

橋梁的延性抗震設(shè)計理念橋梁的抗震設(shè)計人類要遭受地震、干旱、洪澇、臺風、冰雹、暴雪、沙塵暴等自然災(zāi)害，需要認識它們，預(yù)防它們。之前有幸設(shè)計過西北地區(qū)鐵路抗震及華北地區(qū)城市橋梁抗震，均采用延性設(shè)計方法，提到橋梁的抗震設(shè)計，得先從以下幾個關(guān)于地震的概念說起。地震震級衡量一次地震大小的等級，定義為離震中100km處用Wood-Anderson式標準地震儀所記錄的最大水平地動位移的常用對數(shù)值，震級一般分為9級，8級及以上稱為巨大地震。地震烈度衡量地震破壞作用大小的一個指標，標明某一地區(qū)地面和各類建筑物遭受某一次地震影響的強弱程度，烈度分為12度，一次具體的地震，只有一個震級，而不同的地區(qū)有不同的烈度，一般離震中越近，烈度越高。汶川地震震級后期修正為8級，但是距離震中最近的汶川縣映秀鎮(zhèn)和北川縣縣城為兩個中心呈長條狀區(qū)域烈度為11度，地震損害影響最大。青川縣烈度為10度，西南端至四川省寶興縣與蘆山縣，東北端達到陜西省略陽縣和寧強縣區(qū)域烈度為8度?！吨袊卣饎訁?shù)區(qū)劃圖》已經(jīng)將中國每個地區(qū)今后一個時期內(nèi)在一般場地條件下可能遭遇到的最大地震烈度區(qū)劃，是規(guī)范中抗震設(shè)防烈度的選取依據(jù)。中國主要地震分布我國處于世界上全球環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，主要分布在1）東南部臺灣和福建廣東沿海2）華北太行山沿海和京津塘地區(qū)3）青藏高原和四川、云南西部4）西北新疆、甘肅和寧夏看看你得家鄉(xiāng)是否在潛在震區(qū)，人類在自然災(zāi)害面前有時顯得是無奈無助橋梁主要震害1）上部結(jié)構(gòu)破壞上部結(jié)構(gòu)遭受直接震害被破壞的情形較少，往往是由于其它部位毀壞而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞，主要防止落梁或者伸縮縫處撞梁破壞，所以抗震規(guī)范中基本都是下構(gòu)（橋墩（蓋梁）、承臺、基礎(chǔ)的抗震驗算規(guī)定要求），2）支承連接部位震害橋梁支承連接部位震害極為常見，支承破壞后引起傳力方式改變，從而進一步加大震害3）下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)震害下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)嚴重破壞是引起橋梁倒塌的主要原因，下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)承受較大的水平地震力，瞬時反復(fù)振動在相對薄弱的截面產(chǎn)生破壞。橋梁震害救災(zāi)啟示地震作為一種自然災(zāi)害，地震發(fā)生時造成大量的人員傷亡、大量地面構(gòu)筑物和各種設(shè)施破壞與倒塌，地震救援的黃金時間是發(fā)生地震后的72個小時之內(nèi)，作為救援生命線工程的鐵路橋梁、公路橋梁、城市高架承擔著絕大部分救援物資、救援設(shè)備等運輸，所以地震后橋梁工程的損壞程度、搶修難易程度極大的影響著救援工作的順利開展及震后的次生災(zāi)害的大小（此生災(zāi)害因交通及其它設(shè)備的毀壞而造成的間接經(jīng)濟損失十分巨大），直接決定著地震的人員損傷數(shù)量與財產(chǎn)損失總和。國際上抗震設(shè)防目標建筑物在使用壽命期間，對于不同頻度和強度的地震，建筑物應(yīng)具有不同的抵抗能力。總體歸納起來為三水平設(shè)防目標：地震水平1：遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響，橋梁不壞。地震水平2：遭受到相當于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響，橋梁發(fā)生有限損壞，及時修理就可馬上使用。地震水平3：遭受到高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估旱遇地震影響，橋梁嚴重破壞，但不倒塌，仍可在加固后恢復(fù)交通。即所謂的“小震不壞、中震可修、大震不倒”三設(shè)防理念要求。三設(shè)防目標與鐵路抗震規(guī)范中多遇地震檢算橋墩與基礎(chǔ)、設(shè)計地震檢算支座、旱遇地震檢算橋墩與基礎(chǔ)一致。公路與城市橋梁抗震規(guī)范中E1地震相當于（多遇地震）小震，E2地震相當（旱遇地震）大震。不同橋梁抗震規(guī)范均按照橋梁的孔跨、橋梁復(fù)雜程度、重要性以及道路的性質(zhì)對橋梁進行抗震設(shè)防分類，按規(guī)范對應(yīng)選取就行。橋梁抗震的兩個不同策略1、剛性抗震策略把結(jié)構(gòu)盡量做強，來抵抗地震力，金門大橋剛開始設(shè)計時只假設(shè)地震設(shè)計力為5％的重力的水平力，遠遠不夠啊，不過這是人類前進需要付出的代價，這是1975年前的通用策略。2、柔性的抗震策略把結(jié)構(gòu)盡量做的柔軟，來適應(yīng)地震的波動。如何區(qū)適應(yīng)地表的變形，基本對策可采用隔震、延性、消能。隔震：使地震的波動盡量不傳到結(jié)構(gòu)。延性：使結(jié)構(gòu)可以承受地震的變形，本文主要闡述一下延性設(shè)計的方法消能：消耗地震輸入的能量，減低結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。摩擦擺減隔震支座液體粘滯阻尼器橋梁抗震設(shè)計方法演變1、靜力法W為橋梁結(jié)構(gòu)總重量，K為地面運動加速度峰值與重力加速度g的比值。是由日本大房森吉在1899年提出，將地震力視為靜力作用在結(jié)構(gòu)上，簡潔明了，但是忽略了地震作為一門結(jié)構(gòu)動力學，將結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)特性忽略了，但在剛性的橋臺與擋土墻抗震設(shè)計中仍然使用。2、反應(yīng)譜法反應(yīng)譜法可以認為是靜力法的一種演化，計入地震后結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)與結(jié)構(gòu)固有特性的影響，巧妙的將動力問題轉(zhuǎn)化為靜力問題為動力放大系數(shù)。鐵路規(guī)范動力放大系數(shù)公路抗震規(guī)范與城市橋梁抗震規(guī)范將放大系數(shù)與水平地震系數(shù)與加速度相乘，以水平加速度反應(yīng)譜作為縱坐標，實質(zhì)與鐵路抗震規(guī)范放大系數(shù)反應(yīng)譜一致。反應(yīng)譜法也存在明顯的缺陷，無法反應(yīng)地震動持時和非線性影響，但是計算簡便易行，可得出最大地震值，相信在未來的一段時間仍將得到廣泛應(yīng)用，特大橋梁的初設(shè)階段都可采用反應(yīng)譜法。3、動態(tài)時程分析法動態(tài)時程分析發(fā)提供對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)最精確的計算，還可以同時進行結(jié)構(gòu)在地震動作用下進入塑性后的需求與能力比較，但需耗費大量的計算時間與輸入大量的計算數(shù)據(jù)，專業(yè)化要求較高，不大利于工程師結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以對于大量常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)，一般不采用時程分析法，只有特別重要橋梁或者大跨度橋梁才使用。4、非線性靜力pushover分析－倒塌模態(tài)分析方法提供一個評估地震反應(yīng)尤其是非線性地震反應(yīng)的方法，追蹤結(jié)構(gòu)從屈服直到極限狀態(tài)的整個非彈性變形過程，得到基底剪力與位移之間的能力曲線，通過振型反應(yīng)譜計算力效應(yīng)和位移效應(yīng)即需求分析，比較接近于延性抗震設(shè)計中的總體要求“能力大于需求”的理念了。延性抗震設(shè)計說起延性，這個概念可能對于很多橋梁設(shè)計者來說有些模糊，先從其它幾個概念說起。材料抵抗外力不斷裂的能力叫強度，強度越高抗力越大；材料在外力作用下到斷裂的整個過程中會發(fā)生變形，先發(fā)生彈性變形后發(fā)生塑性變形，彈性變形就是去掉外力后，還能恢復(fù)到原來形態(tài)，塑性變形就是去掉外力后，不能恢復(fù)到原來狀態(tài)；塑性變形階段消耗的能就是塑性。塑性好，延展性也好，表達的是一個意思，表示材料塑性變形能力的，但是單位不同。材料從抵抗外力到斷裂過程中消耗掉的能（或叫做功）就是韌性，包括了彈性變形階段和塑性變形階段的共同消耗的能，韌性越好從外力作用到斷裂過程消耗的能量越多。從力-位移曲線上說，縱坐標和橫坐標都大的情況下，韌性最好，縱坐標要想增大就是要強度高，橫坐標增大就是塑性好，因此，可以說如果一個材料的強度和塑性都好，那么它的韌性肯定非常好。從材料微結(jié)構(gòu)上來講，同時增加材料的強度和塑性是一個矛盾體，要想提高強度，希望原子間的結(jié)合力越大越好，但是要想增加塑性反而不希望原子力太大，因此，如何同時提高材料的強度和韌性是材料界始終面臨的最大挑戰(zhàn)。延性定義：材料或者構(gòu)件在初始強度沒有明顯退化情況下的非彈性變形能力，包含兩個方面1）承受較大的非彈性變形能力，同時強度沒有明顯下降（國際上一般以不低于85％控制）2）利用滯回特性吸收能量的能力。橋梁延性抗震設(shè)計中一般將橋墩作為延性構(gòu)件設(shè)計，理由1、作為埋在地下的隱蔽工程（基礎(chǔ)、樁基）震后難以修復(fù)、不易發(fā)現(xiàn)損害及較難檢測，必須作為重點的能力保護構(gòu)件來保護樁基的安全。2、地震對上部結(jié)構(gòu)影響不大，主要防止落梁或者伸縮縫處撞梁破壞，因此需保證梁端與支座中心點的位移足夠（不落梁）、梁縫寬度足夠（不撞梁過分嚴重破壞）3、對于裝配式橋梁，蓋梁也必須作為能力保護構(gòu)件加以保護，防止蓋梁破壞而造成落梁。4、只能委屈橋墩，將其設(shè)為延性構(gòu)件，因為橋墩在地面以上，比較容易發(fā)現(xiàn)及檢測損傷程度，也便于現(xiàn)場搶修加固（只要不倒塌）保證在地震黃金時間內(nèi)迅速修好恢復(fù)通車。允許橋墩指定部位在地震時成為塑性鉸（類似于將一個剛接的節(jié)點變成一個鉸接的節(jié)點，但此鉸接的節(jié)點又不完全是鉸接，還是具備一定能力的抗彎），正是由于此塑性鉸的形成，才有了橋墩的延性，此塑性鉸具備兩個能力：1）吸收地震能量2）控制住旱遇地震下蓋梁的地震作用以及向下傳到基礎(chǔ)的作用，以此來保護作為能力保護構(gòu)件的蓋梁與樁基。（其實支座與墩柱的抗剪也是作為能力保護構(gòu)件進行保護）將第4點再引申闡述一下，這是抗震設(shè)計的核心思想。假如一次地震中(旱遇地震或者E2地震)給5＃墩的地震能量50000J,造成5＃墩墩底7000kN水平力與80000kNm彎矩，假如擬定的5＃橋墩尺寸及相應(yīng)的配筋能夠抵抗50000J地震能量或者7000kN水平地震力及其相應(yīng)的80000kNm彎矩，但是此時5＃橋墩樁基蓋梁不能承受，便可修改5＃橋墩的尺寸或者配筋將其作為延性構(gòu)件設(shè)計。減少5＃橋墩豎向受力抗彎鋼筋（人為減少，使橋墩塑性鉸位置在沒有達到旱遇地震或者E2地震對應(yīng)的內(nèi)力時已經(jīng)屈服，屈服時的彎矩鐵路規(guī)范中叫做屈服彎矩，公路規(guī)范中在此屈服彎矩基礎(chǔ)上乘了一個1.2倍的放大系數(shù)叫做超強彎矩），使其只能承受相應(yīng)30000J地震能量相應(yīng)4200kN水平地震力與48000kNm彎矩，剩余的20000J能量轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)動能＋5＃墩塑性鉸吸收，那么傳至樁基的地震能量是橋墩屈服時的30000J能量。用與橋墩屈服時地震內(nèi)力4200kN水平地震力與48000kNm彎矩相應(yīng)的樁基、蓋梁、橋墩抗剪、支座地震作用來檢算這些能力保護構(gòu)件便可。所以說作為延性構(gòu)件的橋墩類似與電路中的保險絲，但又不完全像保險絲，是一個沒有完全犧牲的保險絲，局部微小損害自己（塑性鉸的大無畏精神），保護樁基、蓋梁、橋墩抗剪及支座。塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力跟延性影響很大，延性主要與軸壓比、箍筋用量、箍筋形狀、混凝土強度、保護層厚度、縱向鋼筋率及截面形式相關(guān)。其中箍筋配筋率影響非常大，塑性鉸區(qū)域本身就需要配置較密的箍筋，保證橋墩抗剪，所以抗震規(guī)范中抗震構(gòu)造細節(jié)中明確要求。本身作為延性構(gòu)件的橋墩的設(shè)計思想也是強剪弱彎要求。橋墩指定部位形成塑性鉸時，需要配置合適的受力鋼筋以保證橋墩在指定的塑性鉸位置能夠屈服（公路規(guī)范或者城市橋梁規(guī)范的屈服彎矩按截面實配鋼筋，采用材料強度標準值，（恒載靜＋地震動）軸力作用下計算出的截面順橋向和橫橋向抗彎承載力；鐵路規(guī)范以最外層鋼筋應(yīng)力達到屈服強度對應(yīng)的彎矩，同時可通過M－φ），一般來說鋼筋配置的越少，那就越容易屈服，但也不能少到一定程度（像人類社會一樣也是要受到約束的），起碼保證配置的鋼筋要滿足正常使用狀態(tài)下及E1或者多遇地震的要求，同時要保證延性設(shè)計中“能力大于需求”?？偟膩碚f，屈服彎矩越小，地震需求越大。公路及城市規(guī)范中通過轉(zhuǎn)角或者位移控制E2需求小于能力，鐵路規(guī)范中可以轉(zhuǎn)化為求相應(yīng)彎矩使非線性位移延性比小于4.8，鐵路中位移延性比控制相對來說還是嚴格一些，畢竟鐵路修復(fù)較公路修復(fù)困難。那為何不將能力保護構(gòu)件設(shè)計成足夠強到可以抵抗旱遇或者E2地震，也可以，但造價大幅度提升，為了抵抗2450年一遇的旱遇地震，將所有設(shè)計基準期100年的橋梁統(tǒng)一設(shè)計成旱遇地震下硬抗的結(jié)構(gòu)，恐怕業(yè)主也是不開心的。必須要指出的是，延性抗震在經(jīng)濟上的優(yōu)勢是以一定程度的損壞為代價，這也是一個缺陷。也許那些超大跨徑或在國民經(jīng)濟軍事戰(zhàn)略中發(fā)揮著關(guān)鍵作用的橋梁會采用彈性抗震設(shè)計。鋼筋混凝土構(gòu)件中兩個重要的關(guān)系圖1、以受彎構(gòu)件來說明鋼筋混凝土破壞彎矩撓度圖階段1：荷載較小，混凝土沒有開裂，彎矩與撓度基本直線關(guān)系階段2：達到Mcr時，出線第一條裂縫，裂縫出線梁的撓度與截面曲率都突然增大，受拉區(qū)主要由鋼筋承受，之后裂縫越來越寬，當鋼筋應(yīng)力屈服后，標明進入第二階段末，此階段混凝土已有塑性變形，但不充分。階段3：鋼筋屈服后，保持為常值，中性軸進一步上移，受壓區(qū)減小，彎矩增大到Mu時，邊緣混凝土達到極限壓應(yīng)變時，截面開始破壞。超筋梁與少筋梁均屬于脆性破壞，超筋梁受壓區(qū)高度很高，鋼筋沒達到屈服時受壓區(qū)混凝土沒有征兆下壓潰破壞；少筋梁鋼筋過少，混凝土一裂就壞的。適筋梁破壞時鋼筋先屈服，鋼筋經(jīng)歷較大塑性變形后混凝土再壓潰破壞，屬于有征兆的延性破壞。橋墩作為壓彎構(gòu)件，為了增大延性，保證強剪弱彎的抗震思想，通常將橋墩配筋成大偏心受力構(gòu)件，并在塑性鉸區(qū)域配足箍筋。2、混凝土截面破壞M－φ曲線圖曲率延性系數(shù)與位移延性系數(shù)M－φ曲線圖是公路抗震設(shè)計規(guī)范中必須運用到的基本數(shù)據(jù)，個