基于抗震比较的公路与桥梁设计论文

随着国民经济发展，交通基础设施越来越发达，而当自然灾害发生时，交通基础设施能否通行，对灾区人民的生命财产安全至关重要。2008年“5•12”汶川大地震中，由于交通设施受到严重破坏，致使各种救援无法畅达，加重了当地人民的生命和财产损失。随后我国对工程抗震设计越来越重视，同年10月1日实施了JTG/TB02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》[1]（以下简称《08细则》），CJJ166—2011《城市桥梁抗震设计规范》[2]（以下简称《城规》）也于2012年3月1日实施。2014年2月1日实施了JTGB02—2013《公路工程抗震规范》[3]（以下简称《公规》），其不仅废止了原89版规范，还有部分内容对《08细则》进行了修正。规范的更新必然带来设计的改变，笔者通过某立交桥工程实例，比较了《公规》与《城规》的差异。

1桥梁概况

某立交桥跨越城市主干路处采用（30+51+30）m三跨变截面连续梁，桥梁上部结构为预应力钢筋混凝土箱梁，下部采用覫1.2m钻孔灌注桩群桩基础，中墩由2根1.5m×1.4m的矩形墩柱组成，墩高6.8m，墩底外到外全宽为6m。为提高主梁的横向稳定性及主墩自身的景观效果，在顶部3m范围内两墩分别向外倾斜，顶部全宽为7.3m。中墩为固定墩，墩顶设置固定支座，其余墩顶设置活动支座。桥梁横断面及基础平面图见图1。

2计算比较

2.1设计加速度反应谱比较根据《中国地震动参数区划图》，查得桥梁所在场地的设计基本地震动峰值加速度为0.1g，地震基本烈度为7度，区划图上的特征周期为0.35s（第1组），场地类别为Ⅳ类，反应谱特征周期为0.65s。按照《公规》及《城规》，分别计算水平向加速度反应谱Smax值，见表1。根据表1计算的水平向加速度反应谱Smax值，分别绘制水平向加速度反应谱，见图2。由图2可知，就水平向加速度反应谱而言，《公规》与《城规》的不同之处为：1）反应谱周期不同，《公规》为10s，《城规》为6s；2）反应谱平台宽度相同，高度《公规》比《城规》稍大，但在反应谱下降段，《城规》又比《公规》稍大。

2.2E1地震作用下墩柱抗弯能力验算比较在E1地震作用下，构件还处在弹性阶段，因此主要验算墩柱的抗压及抗弯强度。表3是依据《公规》和《城规》的计算结果，按偏心受压构件进行验算的结果。

2.3E2地震作用下墩柱变形能力验算比较在E2地震作用下，首先应判断墩柱的抗弯能力是否进入塑性状态。当进入塑性状态时，对墩柱截面的抗弯能力验算转变为对墩顶位移能力的验算。该桥在E2地震作用下墩底均进入塑性状态。对于横桥向，桥墩属于多个潜在塑性铰结构，《公规》和《城规》中都推荐采用非线性静力分析方法（Push-over）进行分析，因此墩顶容许位移计算结果是一样的。对于纵桥向，两规范的验算公式基本相同，但计算参数取值有所不同。其中，《公规》中计算等效塑性铰长度Lp的计算公式为Lp=minLp=0.08H+0.022fyds≥0.044fyds；（1）Lp=23b。（2≥≥≥≥≥≥≥≥≥）计算结果取两式的较小值；《城规》仅取前者的计算值。由以上公式可知，《公规》的等效塑性铰长度LP受到截面尺寸的约束，不会随着墩柱高度的增大而增大，而《城规》会随着墩柱高度的增大而增大。因该桥墩柱不高，所以两规范计算的Lp相等，均为82.6cm。《公规》和《城规》中对墩顶位移的计算均是将延性构件的截面改为等效刚度后，采用反应谱法进行计算，然后再根据结构周期对墩顶位移进行修正。其中：1）《公规》的调整系数c按表4取值。2）《城规》调整系数Rd的计算方法为：Rd=（1-1μD）T*T+1μD≥1.0，T*T＞1.0；Rd=1.0，T*T≤1.0；T*=1.25Tg。表5比较了不同周期下的位移修正系数值。由表5可知，对于短周期结构，《城规》比《公规》的位移修正系数大，且周期越短，比值越大；对于长周期结构，两者是相同的。两规范的墩顶位移计算值见表6。

2.4E2地震作用下墩柱剪力设计值比较在E2地震作用下，墩柱屈服后要按保护构件能力的大小验算墩柱的抗剪强度。《公规》的剪力设计值顺桥向与横桥向均是根据最不利轴力对应的抗弯承载力来计算；《城规》的剪力设计值，纵桥向与《公规》类似，但轴力取的是恒载作用的轴力，而横桥向两者计算方法有较大差异，《城规》采用的是迭代方法计算。对于塑性铰截面抗剪能力的计算，两规范都分别考虑了混凝土和钢筋的抗剪能力，但对混凝土的抗剪能力计算则差异较大。1）《公规》中混凝土抗剪能力的计算公式为：VC=0.0023f′c姨Ae；2）《城规》中混凝土抗剪能力的计算公式为：VC=0.1νcAe；νc=0Pc≤0λ（1+Pc1.38×Ag）fad姨≤min0.355fad姨1.47fad姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨；0.03≤λ=ρcfyh10+0.38-0.1μΔ≤0.3。根据两规范的计算公式可知，《公规》对混凝土的抗剪能力计算结果是《城规》的下限值。表7分别计算了两规范的剪力设计值及塑性铰截面的抗剪能力值（塑性铰加密区箍筋直径16mm，钢筋等级HRB400，间距10cm，同一截面纵、横向均为7肢）。由表7可知，由于《公规》基本忽略了混凝土的抗剪能力，因此在相同情况下，需配置较多的箍筋才能满足抗剪需求。

2.5E2地震作用下基础验算比较对于基础，均按保护构件能力进行设计。基础顺桥向、横桥向的弯矩、剪力和轴力设计值应根据墩柱底部可能出现塑性铰处沿顺桥向、横桥向的弯矩承载力、剪力设计值和墩柱最不利轴力来计算。当墩柱进入塑性状态时，基础内力的设计值仅与截面强度有关。其不同之处在于验算基础内力容许值时，《城规》规定在地震作用下的非液化土中，单桩的抗压承载能力可以提高至原来的2倍，单桩的抗拉承载力可比非抗震设计时提高25%；在验算桩基础截面抗弯强度时，截面抗弯能力可采用材料强度标准值计算。而《公规》中，非液化地基的桩基进行抗震验算时，柱桩的地基抗震容许承载力调整系数可取1.5，摩擦桩的地基抗震容许承载力调整系数可根据地基土类别分别提高系数。在验算桩基础截面抗弯强度时，截面抗弯能力仍然采用材料强度设计值计算。在E2地震作用下，群桩基础会出现偏心受拉，表8取1组代表值就两规范的验算结果进行了比较（桩径覫1200mm，混凝土等级C30，主筋直径25mm，主筋根数30，钢筋等级HRB400）。由表8可知，由于材料强度取值及提高系数差异，同一截面《城规》抗拉强度较《公规》有大幅度提高。

3结语

《公规》与《城规》的设计理念相同，均采用两水准设防、两阶段设计的抗震方法，其主要区别有以下几点：1）《公规》与《城规》反应谱周期不同，《公规》为10s，《城规》为6s；两者反应谱平台宽度相同，但反应谱最大值不同。2）E1地震作用下，构件处于弹性阶段，《公规》与《城规》的内力计算差异主要由反应谱值不同引起。3）E2地震作用墩柱变形能力，《公规》的等效塑性铰长度Lp受到截面尺寸的约束，不会随着墩柱高度的增大而增大，而《城规》的等效塑性铰长度Lp会随着墩柱高度的增大而增大。对于短周期结构，《城规》的位移修正系数较《公规》大。4）E2地震作用墩柱塑性铰截面抗剪能力，《公规》与《城规》都分别考虑了混凝土和钢筋的抗剪能力，钢筋的抗剪能力两规范基本相同，但混凝土的抗剪能力《公规》比《城规》小很多。5）E2地震作用基础的计算，《城规》对材料强度及承载力都有提高，而《公规》材料强度不提高，承载力根据不同地基情况取用不同的提高系数。因此，笔者认为《公规》比《城规》对结构的抗震要求更加严格。

作者：虞险峰 单位：宁波市城建设计研究院有限公司