2橋梁抗震設(shè)計(jì)思想
在以上各國(guó)的抗震規(guī)范中，其共同點(diǎn)是在強(qiáng)震情況下不容許出現(xiàn)坍塌，但一定程度的損壞是可以接受的，即我們所說的“大震不倒，中震可修”，AASHTO規(guī)范中定義了可接受的破壞程度，即指柱子中的撓曲屈服(沒有剪力破壞)，而且此破壞必須是可以檢測(cè)及修復(fù)的(在地面及水平線以上)，所有其它的破壞(指基礎(chǔ)、橋臺(tái)、剪力鍵、連接構(gòu)造、支座、上部結(jié)構(gòu)的梁及橋面板的破壞)都是不能接受的。這一定義被其它規(guī)范廣泛采用，尤其在撓曲破壞的類型方面。然而一些規(guī)范放松了對(duì)位置的要求，特別是容許在樁身、樁排架、橋臺(tái)臺(tái)背翼墻處的屈服。對(duì)強(qiáng)震的定義，即使在AASHTO規(guī)范中都很模糊，但一般認(rèn)為是475年一遇的地震可稱為強(qiáng)震。在頻繁出現(xiàn)但規(guī)模小得多的情況下，要求橋梁基本上保持彈性運(yùn)營(yíng)狀態(tài)(無破壞)，對(duì)于這種狀態(tài)沒有特別的校核規(guī)定。
明確要求或最起碼部分要求雙水準(zhǔn)設(shè)計(jì)的規(guī)范有日本規(guī)范、Caltrans/ATC修正規(guī)范，所謂雙水準(zhǔn)設(shè)計(jì)即“中震”作用下的截面承載能力設(shè)計(jì)和“強(qiáng)震”作用下的變形能力設(shè)計(jì)。每種情況都為二個(gè)不同的重現(xiàn)期定義了二套地震荷載，而且對(duì)橋梁在二種荷載情況下的性能作了明確的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在加州運(yùn)輸部的規(guī)范中，對(duì)重要橋梁和一般橋梁在功能性評(píng)估地震(發(fā)生概率30%～40%)和安全性評(píng)估地震(現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的強(qiáng)度地震，重現(xiàn)期為1000年)作用下，可接受的破壞程度和使用狀態(tài)作了定性的規(guī)定。除日本外，所有規(guī)范的設(shè)計(jì)思想都是一種能力設(shè)計(jì)，最近美國(guó)應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)完成了一個(gè)科研項(xiàng)目(ATC-18)，查閱了世界各國(guó)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，并提出了改進(jìn)美國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的若干建議，其中最主要的建議是要采用兩個(gè)水平的抗震設(shè)計(jì)方法。
一般認(rèn)為要求橋梁在強(qiáng)震時(shí)處于彈性狀態(tài)是不經(jīng)濟(jì)的，而非彈性狀態(tài)是不可避免的，結(jié)構(gòu)的極限承載能力用來將構(gòu)件的內(nèi)力限制在規(guī)定值內(nèi)，然而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移要求可能比較高，可能發(fā)生的特殊構(gòu)件延性要求(如塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng))，都需要對(duì)塑性鉸附近作專門的設(shè)計(jì)，以防止塑性鉸的破壞和結(jié)構(gòu)的倒塌。所有基于能力設(shè)計(jì)的地震規(guī)范的一個(gè)共同特征是對(duì)構(gòu)件細(xì)節(jié)的關(guān)心，以確保結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形后的整體性。歷次地震中發(fā)生的橋梁震害使人們認(rèn)識(shí)到，要提高橋梁抗震能力不能單純依靠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性(變形能力)也應(yīng)給予充分重視，從各國(guó)規(guī)范修訂中可以看到抗震設(shè)計(jì)的方法正從傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論向延性抗震理論過渡。
我國(guó)現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范還很不完善，無論是鐵路橋或公路橋，還是采用基于強(qiáng)度設(shè)防基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法，即根據(jù)折減后的彈性地震反應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，而結(jié)構(gòu)的延性要求沒有明確規(guī)定，僅從墩柱的箍筋配筋率及構(gòu)造方面提出要求，以保證結(jié)構(gòu)的延性。因此對(duì)我國(guó)現(xiàn)行震規(guī)進(jìn)行修訂和補(bǔ)充，使其提高到一個(gè)新的先進(jìn)水平已是刻不容緩。同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室橋梁抗震學(xué)科組在范立礎(chǔ)教授帶領(lǐng)下進(jìn)行橋梁抗震研究工作已有20余年，研究的內(nèi)容包括大跨度橋梁、城市立交及城市高架橋的抗震設(shè)計(jì)方法，橋梁的減隔震設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件的編制。
90年代初在上海南浦大橋的抗震設(shè)計(jì)中，首次提出了二水平的抗震設(shè)計(jì)方法。之后，用同樣方法先后對(duì)20余座大橋、城市立交橋和城市高架橋進(jìn)行了抗震研究，20余年來積累了很多科研成果，對(duì)橋梁抗震的設(shè)計(jì)思想也日趨成熟。在此基礎(chǔ)上于1998年開始，范立礎(chǔ)教授將正式主持“城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”的制訂工作。
減震和隔震設(shè)計(jì)思想是利用材料或裝置的耗能性能，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。近年來世界各國(guó)在結(jié)構(gòu)的減隔震設(shè)計(jì)方面也做了很多研究，如彈性支座隔震體系是目前能采用的最簡(jiǎn)單的隔震方法，其中普通板式橡膠支座構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，已在橋梁上廣泛應(yīng)用，法國(guó)跨度320m的伯勞東納(Brotonne)預(yù)應(yīng)力混凝土斜張橋的兩個(gè)塔墩頂上各用了12塊橡膠支座，該橋已通車20年，使用情況良好。另外幾種具有耗能裝置的橡膠支座也已有了研究成果，如新西蘭學(xué)者在1975年研制的鉛芯橡膠支座，我國(guó)袁萬城博士研制的利用弧形鋼板條耗能的橡膠減震支座等。聚四氟乙烯滑動(dòng)支座是另一種應(yīng)用得較多的隔震支座。通過選擇適當(dāng)?shù)臏p隔震裝置與設(shè)置位置來達(dá)到控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小和分布的目的。目前，減隔震和結(jié)構(gòu)控制已成為工程抗震的熱點(diǎn)之一，在第9、10、11屆世界地震工程會(huì)議上，減隔震和結(jié)構(gòu)控制被列為對(duì)未來地震工程有重要影響的先進(jìn)技術(shù)。
3橋梁抗震設(shè)計(jì)方法
常用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法有震度法和動(dòng)態(tài)分析法兩種，動(dòng)態(tài)分析法中又包括反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。
早期的地震反應(yīng)分析大多采用震度法，它假設(shè)結(jié)構(gòu)物各部分與地震動(dòng)具有相同的振動(dòng)，并把結(jié)構(gòu)在地面運(yùn)動(dòng)加速度作用下的慣性力視作靜力作用于結(jié)構(gòu)物上做抗震驗(yàn)算。慣性力的計(jì)算公式為：
式中，W為結(jié)構(gòu)物重量，K為地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值與重力加速度g的比值。此法計(jì)算簡(jiǎn)單，但忽略了結(jié)構(gòu)物本身的動(dòng)力特性，因此會(huì)導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力的錯(cuò)誤判斷。
動(dòng)態(tài)分析法比震度法有了較大的改進(jìn)，它同時(shí)考慮了地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。其中反應(yīng)譜方法中一個(gè)重要概念是動(dòng)力放大系數(shù)，或稱標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)譜。其定義為：
β(ω,ξ)=|U+Ug|max/Ug,max
式中，右端項(xiàng)的分子為單質(zhì)點(diǎn)體系動(dòng)力反應(yīng)的絕對(duì)加速度反應(yīng)，分母為地面加速度反應(yīng)的峰值。
在以上各國(guó)的抗震規(guī)范中，其共同點(diǎn)是在強(qiáng)震情況下不容許出現(xiàn)坍塌，但一定程度的損壞是可以接受的，即我們所說的“大震不倒，中震可修”，AASHTO規(guī)范中定義了可接受的破壞程度，即指柱子中的撓曲屈服(沒有剪力破壞)，而且此破壞必須是可以檢測(cè)及修復(fù)的(在地面及水平線以上)，所有其它的破壞(指基礎(chǔ)、橋臺(tái)、剪力鍵、連接構(gòu)造、支座、上部結(jié)構(gòu)的梁及橋面板的破壞)都是不能接受的。這一定義被其它規(guī)范廣泛采用，尤其在撓曲破壞的類型方面。然而一些規(guī)范放松了對(duì)位置的要求，特別是容許在樁身、樁排架、橋臺(tái)臺(tái)背翼墻處的屈服。對(duì)強(qiáng)震的定義，即使在AASHTO規(guī)范中都很模糊，但一般認(rèn)為是475年一遇的地震可稱為強(qiáng)震。在頻繁出現(xiàn)但規(guī)模小得多的情況下，要求橋梁基本上保持彈性運(yùn)營(yíng)狀態(tài)(無破壞)，對(duì)于這種狀態(tài)沒有特別的校核規(guī)定。
明確要求或最起碼部分要求雙水準(zhǔn)設(shè)計(jì)的規(guī)范有日本規(guī)范、Caltrans/ATC修正規(guī)范，所謂雙水準(zhǔn)設(shè)計(jì)即“中震”作用下的截面承載能力設(shè)計(jì)和“強(qiáng)震”作用下的變形能力設(shè)計(jì)。每種情況都為二個(gè)不同的重現(xiàn)期定義了二套地震荷載，而且對(duì)橋梁在二種荷載情況下的性能作了明確的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在加州運(yùn)輸部的規(guī)范中，對(duì)重要橋梁和一般橋梁在功能性評(píng)估地震(發(fā)生概率30%～40%)和安全性評(píng)估地震(現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的強(qiáng)度地震，重現(xiàn)期為1000年)作用下，可接受的破壞程度和使用狀態(tài)作了定性的規(guī)定。除日本外，所有規(guī)范的設(shè)計(jì)思想都是一種能力設(shè)計(jì)，最近美國(guó)應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)完成了一個(gè)科研項(xiàng)目(ATC-18)，查閱了世界各國(guó)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，并提出了改進(jìn)美國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的若干建議，其中最主要的建議是要采用兩個(gè)水平的抗震設(shè)計(jì)方法。
一般認(rèn)為要求橋梁在強(qiáng)震時(shí)處于彈性狀態(tài)是不經(jīng)濟(jì)的，而非彈性狀態(tài)是不可避免的，結(jié)構(gòu)的極限承載能力用來將構(gòu)件的內(nèi)力限制在規(guī)定值內(nèi)，然而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移要求可能比較高，可能發(fā)生的特殊構(gòu)件延性要求(如塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng))，都需要對(duì)塑性鉸附近作專門的設(shè)計(jì)，以防止塑性鉸的破壞和結(jié)構(gòu)的倒塌。所有基于能力設(shè)計(jì)的地震規(guī)范的一個(gè)共同特征是對(duì)構(gòu)件細(xì)節(jié)的關(guān)心，以確保結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形后的整體性。歷次地震中發(fā)生的橋梁震害使人們認(rèn)識(shí)到，要提高橋梁抗震能力不能單純依靠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性(變形能力)也應(yīng)給予充分重視，從各國(guó)規(guī)范修訂中可以看到抗震設(shè)計(jì)的方法正從傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論向延性抗震理論過渡。
我國(guó)現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范還很不完善，無論是鐵路橋或公路橋，還是采用基于強(qiáng)度設(shè)防基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法，即根據(jù)折減后的彈性地震反應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，而結(jié)構(gòu)的延性要求沒有明確規(guī)定，僅從墩柱的箍筋配筋率及構(gòu)造方面提出要求，以保證結(jié)構(gòu)的延性。因此對(duì)我國(guó)現(xiàn)行震規(guī)進(jìn)行修訂和補(bǔ)充，使其提高到一個(gè)新的先進(jìn)水平已是刻不容緩。同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室橋梁抗震學(xué)科組在范立礎(chǔ)教授帶領(lǐng)下進(jìn)行橋梁抗震研究工作已有20余年，研究的內(nèi)容包括大跨度橋梁、城市立交及城市高架橋的抗震設(shè)計(jì)方法，橋梁的減隔震設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件的編制。
90年代初在上海南浦大橋的抗震設(shè)計(jì)中，首次提出了二水平的抗震設(shè)計(jì)方法。之后，用同樣方法先后對(duì)20余座大橋、城市立交橋和城市高架橋進(jìn)行了抗震研究，20余年來積累了很多科研成果，對(duì)橋梁抗震的設(shè)計(jì)思想也日趨成熟。在此基礎(chǔ)上于1998年開始，范立礎(chǔ)教授將正式主持“城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”的制訂工作。
減震和隔震設(shè)計(jì)思想是利用材料或裝置的耗能性能，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。近年來世界各國(guó)在結(jié)構(gòu)的減隔震設(shè)計(jì)方面也做了很多研究，如彈性支座隔震體系是目前能采用的最簡(jiǎn)單的隔震方法，其中普通板式橡膠支座構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，已在橋梁上廣泛應(yīng)用，法國(guó)跨度320m的伯勞東納(Brotonne)預(yù)應(yīng)力混凝土斜張橋的兩個(gè)塔墩頂上各用了12塊橡膠支座，該橋已通車20年，使用情況良好。另外幾種具有耗能裝置的橡膠支座也已有了研究成果，如新西蘭學(xué)者在1975年研制的鉛芯橡膠支座，我國(guó)袁萬城博士研制的利用弧形鋼板條耗能的橡膠減震支座等。聚四氟乙烯滑動(dòng)支座是另一種應(yīng)用得較多的隔震支座。通過選擇適當(dāng)?shù)臏p隔震裝置與設(shè)置位置來達(dá)到控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小和分布的目的。目前，減隔震和結(jié)構(gòu)控制已成為工程抗震的熱點(diǎn)之一，在第9、10、11屆世界地震工程會(huì)議上，減隔震和結(jié)構(gòu)控制被列為對(duì)未來地震工程有重要影響的先進(jìn)技術(shù)。
3橋梁抗震設(shè)計(jì)方法
常用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法有震度法和動(dòng)態(tài)分析法兩種，動(dòng)態(tài)分析法中又包括反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。
早期的地震反應(yīng)分析大多采用震度法，它假設(shè)結(jié)構(gòu)物各部分與地震動(dòng)具有相同的振動(dòng)，并把結(jié)構(gòu)在地面運(yùn)動(dòng)加速度作用下的慣性力視作靜力作用于結(jié)構(gòu)物上做抗震驗(yàn)算。慣性力的計(jì)算公式為：
式中，W為結(jié)構(gòu)物重量，K為地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值與重力加速度g的比值。此法計(jì)算簡(jiǎn)單，但忽略了結(jié)構(gòu)物本身的動(dòng)力特性，因此會(huì)導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力的錯(cuò)誤判斷。
動(dòng)態(tài)分析法比震度法有了較大的改進(jìn)，它同時(shí)考慮了地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。其中反應(yīng)譜方法中一個(gè)重要概念是動(dòng)力放大系數(shù)，或稱標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)譜。其定義為：
β(ω,ξ)=|U+Ug|max/Ug,max
式中，右端項(xiàng)的分子為單質(zhì)點(diǎn)體系動(dòng)力反應(yīng)的絕對(duì)加速度反應(yīng)，分母為地面加速度反應(yīng)的峰值。