桥梁抗震的延性与隔震设计

　　摘要：以对比欧洲桥梁抗震设计规范与公路工程抗震设计规范的方式，就欧洲桥梁抗震设计规范的应用范围、基本要求，依照标准、地震作用、分析方法，延性与隔震设计方法等方面作简单介绍，对我国公路桥梁抗震规范发展方向进行了探讨，并提出延性与隔震设计方法应是桥梁抗震设计的主要方法。

　　关键词：抗震规范；延性；隔震

　　目前我国公路桥梁抗震设计规范(JTJ004—89)是自1986年起至l9899年止，由交通部公路规划设计院会同有关设计、科研和高等院校等单位对1977年发布的《公路工程抗震设计规范》进行修订而成的．有关桥梁部分增加了使用橡胶支座的梁桥、弯桥、动水压力、动土压力、连孔拱桥等的地震荷载设计计算公式；修订了反应谱曲线．与原规范相比有较大的修改和补充，有许多独到之处。
　　近几年来，随着我国经济的加速发展，大、中型桥梁，特别是斜拉桥的建设发展迅猛，同时使用的混凝土强度也在不断增加，城市高架桥梁朝着轻型美观发展，因此对公路桥梁抗震规范的试用范围提出了更高的要求．另一方面对于即使满足规范适用范围内的跨径不超过150m的钢筋混凝土和预应力混凝土梁桥、污工或钢筋混凝土拱桥的抗震设计，要满足总则第1．0．3条的规定，在实践操作上也是难以实施的，这是因为我国目前实行的规范，采用了与延性有关的综合影响系数Cx值进行地震荷载的折减后，只进行极限状态的抗震强度和稳定性验算，而没有进行极限位移或延性的验算。
　　我国的公路规范虽然针对橡胶支座桥梁提出了地震荷载的设计计算公式，但对于提高桥梁的抗震性能，从隔震的概念来看，还缺少必要的规定和设计方法，新的欧洲桥梁抗震规范(Eurocode 8:Structures in Seismic Regions—Design,Part2:Bridges)刚刚问世，本文将以对比的方式简要介绍欧洲桥梁抗震规范(以下简称欧规)并探讨我国公路桥梁抗震规范(以下简称部规)的发展．

　　1 欧规与部规的基本比较

　　1．1 主要应用范围

　　欧规主要应用于出桥台或桥墩的弯曲来抵抗水平地震作用的抗震设计，它包括竖向或接近竖向桥墩系统支承的桥梁上部结构，也可以应用于拱桥、斜拉桥等。

　　部规适用于跨径不超过150m的钢筋混凝土和预应力混凝土梁桥、污工或钢筋混凝土拱桥的抗震设计。

　　1．2基本要求

　　欧规：①极限状态：在发生设计地震后，桥梁将仍保持它结构整体性并且仍具有足够的抗力，但桥梁的一些部件允许相当程度的损坏，以保证结构能维持紧迫的交通需要；①工作限状态：在场梁的设计年限内经历常遇地震后，设计用于耗能的部件应当仅产生次要破坏，能维持正常交通或抢修后即可恢复交通．

　　部规：在发生与之相当的基本烈度地震影响时，保证位于抗震危险地段桥梁不发生严重破坏。

　　1．3 依照标准

　　欧规：进行强度验算和能力设计(通过使用专门的耗能装置部规：进行抗震强度和稳定性验算．地震作用或弯曲塑性铰的变形耗能)。

　　部规：进行抗震强度和稳定性验算。

　　1．4 地震作用

　　欧规定义地震作用考虑以下两个方面： 

　　(1)在一点的地震运动特征；

　　(2)空间变化的地震运动特征，并指出在下列两种情况下考虑地震运动的空间变化；①桥梁大于200m并且有地质上的不连续或明显的不同地貌特征；②桥长大于600m。

　　部规规定，计算桥梁地震荷载时，应分别考虑顺桥和横桥两个方向的水平地震荷载．对于位于基本烈度为9度区的大路径悬臂梁桥，还应考虑上、下两个方向竖向地震荷裁和水平地震荷载的不利组合。

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　　1．5 分析方法

　　欧规则重于①分析模型，包括自由度的选择、质量的确定、单元刚度、土的模型、扭转作用以及线性分析的性能乘子的确定等；②分析方法，即阐述反应语法，基本模态法，功率语法，线性及非线性时域分析等方法及其应用条件范围。

　　部规则重于地震荷载的计算公式表达。

　　1．6 延性抗震设计

　　欧规直接结出延性定义，弹性反应的地震力通过反应延性的性能系数来折减，并通过具体的力学上的最低含箍率来保证结构或构件的延性、设计采用强度验算和位移控制。

　　部规没有直接定义延性的影响，通过定义综合影响系数Cx值反映延性并对地震反应进行折减．

　　2 欧洲桥梁抗震规范中的延性与隔震设计方法

　　延性及隔震是现代桥梁抗震的重要手段与方法，在这方面欧规与部规存在较大差别．有关延性部分部规仅通过主要反映延性因素的综合影响系数来体现，没有考虑轴力的影响和箍筋的约束作用，只是在构造措施上给出规定，即规定8度区柱式桥墩和排架桩墩加密区段箍筋配置应符合：“圆形截面应采用螺旋式箍筋，其间距不大于10cm，箍筋直径不小于8mm；矩形截面的最小含箍率ρmin，顺桥向和横桥向均为0．3%．”有关隔震方面根本没有从设计概念、设计方法上来阐述,至多在抗震措施中有所涉及,也只不过是作为一种安全储备而已。显然这是很不够的,以下将简要介绍欧规有关延性与隔震设计中的主要内容。

　　欧规除直接给出延性定义和位移控制的设计方法外，为确保塑性铰区域的曲率或转动延性，箍筋的数量根据力学上的含箍率来定义：

　　式中：ƒyd是钢筋的屈服设计强度；ƒcd是混凝土的设计校体强度；ρw是含箍率，根据下式来定义：

　　式中：ARW是约束方向箍筋的总有效面积；s是沿纵向箍筋的间距，应满足s≤纵向钢筋直径的6倍, s≤混凝土核的最小尺寸的l／5；b是所测量的截面混凝土核心垂直于箍筋的箍筋外边间的距离；dA是圆形箍筋或螺旋箍筋环的直径;Aηp是圆形或螺旋箍筋环的面积。

　　最低力学上的含筋率根据下式来确定：

　　其中：Ac是截面混凝土的毛面积；Acc是截面的核心混凝土面积；рc≥ 15为要求的曲率延性；ηk是柱的软压力比。

　　目前规范常用的方法是等效线性动力分析．性能系数反映结构的延性，用来修改线性分析的结果，一般认为是合理的．桥梁结构的性能系数q是根据在地震作用下延性水平来确定，如附图所示．根据结构是延性的、有限延性的、基本上是弹性的来结出桥梁部件性能系数的最大值(附表)，并门说明表中q系数只有当轴压力比ηk不超过0．4时有效，当0．4＜ ηk ＜0．6时q系数要折减。

　　欧规有关隔震有专门一章的内容，目前是为设计工程帅提供一整套如何应用隔层概念进行隔震设计的规则，其内容包括设计范围，设计地震作用，分析方法，隔震系统与结构的模拟，桥梁结构和隔震系统的验算．最后用专门一节来描述桥梁橡胶支座的一般要求、总的设计剪切应变和支座本身的设计标准．
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　　3 我国公路桥梁抗震规范发展方向的探讨

　　通过比较欧洲桥梁抗震规范与我国公路桥梁抗震规范，尽管形式和内容有较大差别，但目的和要求是一致的，为了进一步完善我国公路桥梁抗震规范，在以下几方面我们仍要做些研究工作。

　　3．1 桥梁抗震设计规范的范围应有所扩大

　　随着我国公路桥梁的迅速发展，特别是大、中型的斜拉桥、高速公路或环线高架的异型长桥的发展急需要有抗震设计规范．至少应有抗震设计指南，如地震作用，结构质量，刚度模拟，分折方法，荷载组合以及避免脆性破坏的抗震要求与措施。

　　3．2 延性与隔震应作为抗震设计的主要方法与依据

　　(1)综合影响系数Cx应进一步发展与完善．综合影响系数的出现是为了体现地震问题的不确定因素和复杂性，在一定的误差范围内，用Cx系数来折减线性分析的结果是合理的．应当指出，Cx系数主要是来源于结构的延性，但混凝土结构的延性与混凝土材料的标号以及轴力水平关系极大，特别是高强混凝土材料的应用．另外也一定要有产生塑性铰的条件并且要考感到是否可修复．因此，我国公路桥梁抗震规范中的Cx要进一步做些研究工作。

　　(2)要保证桥梁在设计基本烈度地震影响时不发生严重破坏，对位移控制一定要有具体的规定。

　　保证桥梁在设计基本烈度地震影响时不发生严重破坏，通常采用的方法是延性抗震或者减、隔震．除了使结构要有足够的延性性能和减震、隔震装置具有减隔震效能外，从规范的角度一定要保证其方法的有效性，除了采用强度稳定等必要的检验外，还必须采用位移控制．对于中、小桥梁特别是梁式桥可以给出一些分项公式，对于大、中桥(如斜拉桥)可以给出一些指导性原则。

　　(3)延性与隔震设计应是桥梁抗震的主要方法，除了在规范的一些系数、公式中体现延性与隔震外，要使设计工程师们懂得在怎样的条件下采用延性设计或隔震设计，才更有效，不致于盲目套用公式．这就必须在场地条件、结构形式、分析折方法中加以说明与指导。

　　3．3一些细节问题需要调整

　　通过箍筋的约束作用提高混凝土的强度与延性已在世界范围内被人们所接受．在欧洲规范、美国规范、新西兰规范中部有详尽的反映．我们的桥梁抗震规范相对来说表现得不够，仅规定0．3%的最小含箍率是远远不够的。

　　有关桥梁橡胶支座的动力性能，特别是板式橡胶支座的静动力剪切模量，滑板支座的静、动力摩擦系数，作者近十年来对许多厂家的产品作了大量的试验，如动剪切模量在橡胶层剪切角正切值为0．7一1．0条件下为850—ll00kN／m2，欧洲桥梁抗震规范建议为l000kN／m2，而我们的桥梁抗震规范建议为l200kN／m2偏高。

　　3．4 桥梁抗震设计规范采用计算机软件支持是规范的发展趋势

　　从欧洲桥梁抗震规范来看，它侧重于荷载的描述，结构刚度、质量的描述，计算方法的介绍和使用条件，荷载组合方法等，而我们的桥梁抗震规范更侧重于计算方法的公式化。随着我国桥梁抗震规范适用范围的扩大，对于多数情况采用公式化可能是有困难，研究编写一整套适用于桥梁抗震设计的规范化程序，将是规范发展的需求与趋势。

　　4 结 论

　　桥梁的发展对抗震设计的要求日趋提高．我国公路桥梁抗震规范与欧洲桥梁抗震规范还存在相当差距，因此有必要作些修订．特别是在延性与隔震设计的有关规定与方法方面，我们还需做大量的工作．另外在大、中型桥梁的抗震指南以及桥梁抗震设计规范的计算机软件化方面，我们应加紧着手研究。