桥梁工程抗震设计问题论述

摘要：现行桥梁抗震设计规范对抗震设防标准、隔震周期及墩柱抗剪强度的阐述比较笼统，给设计带来一些困惑。本文阐述了桥梁抗震设防标准的确定方法，明确了隔震周期与非隔震周期的内涵，提出了墩柱抗剪强度验算的局限性。本文结合实际设计案例，对桥梁抗震设防标准及抗震设计进行了分析和探讨。

关键词：桥梁工程抗震设计

中图分类号：S611文献标识码： A

正文：

随着经济的发展，桥梁结构在不同水准地震作用下的抗震设防要求不断提高，桥梁抗震由原来的单一设防水准一阶段设计逐渐发展为双水准或三水准设防两阶段设计、三阶段设计，以及基于性能的多水准设防、多性能目标准则的抗震设计。这就要求工程师深入理解桥梁抗震设计规范。

1抗震设防标准

抗震设防标准是抗震设计的依据，桥梁抗震设计应首先确定抗震设防标准。桥梁抗震设防标准是根据地震动背景，为保证桥梁结构在寿命期内的地震损失不超过规定的水平，规定桥梁结构必须具备的抗震能力[1]。现行桥梁抗震设计规范[2-3]对抗震设防标准只作了笼统的定性描述，针对这种现状，本文对桥梁抗震设防标准作系统的阐述。

（1）对于地震动背景的考虑，定义3种桥梁抗震设防水准,设防水准Ⅰ：重现期约为50～100年或25年的地震作用，超越概率约为50年63％～39％或86.4％，即“小震”；设防水准Ⅱ：重现期约为475年的地震作用，超越概率约为50年10％，即“中震”；设防水准Ⅲ：重现期约为2000年的地震作用，超越概率约为50年3％～2％，即“大震”。（2）对于地震损失的考虑，定义3种桥梁抗震性能目标，性能目标Ⅰ：一般不受损坏或不需要修复可以继续使用，结构完全保持在弹性工作状态，即“不坏”；性能目标Ⅱ：可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可以继续使用，结构整体保持在弹性工作状态，即“可修”；性能目标Ⅲ：应保证不致倒塌或产生严重的结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用，即“不倒”。（3）为实现桥梁抗震设防目标，对截面进行纤维单元划分(见图1)并进行数值计算，利用墩柱截面的弯矩―曲率曲线（见图2），定义相应于各性能目标的验算准则。验算准则Ⅰ：M

图1截面纤维单元划分图

图2弯矩－曲率曲线

通过对梁抗震设防水准、抗震性能目标和验算准则的系统分析，归纳出方便工程设计的各设防类别桥梁的抗震设防标准。

2隔震周期

现行桥梁抗震设计规范均要求，减隔震设计的桥梁基本周期应为非减隔震设计的桥梁基本周期的2倍以上。实际工程设计时，必须明确这2种周期的定义，才能保证设计的可靠性。

2.1规范研究

日本规范[4]对“减隔震设计的桥梁基本周期应为非减隔震设计的桥梁基本周期的2倍以上”解释为：采用减隔震支座的桥的固有周期比不采用减震支座桥固有周期的2倍短，变形就有可能不集中于减隔震支座而集中于下部结构，减震支座就不能有效地发挥作用。其中不采用减隔震支座桥的固有周期是把所有支座都看作固定支座时桥的固有周期。采用减隔震目的是使得减隔震装置充分发挥其隔震耗能的作用，降低桥梁结构的地震响应。而要实现这个目的，一方面是尽可能延长结构周期以避开场地地震能量集中的频谱区段，另一方面就是使桥墩的刚度尽可能远大于隔震装置的等效刚度，这样就使得变形主要集中于减隔震装置。采用了减隔震装置的桥梁即为减隔震桥梁，设置“板式橡胶支座”的桥梁属于隔震桥梁，板式橡胶支座能提供柔性，设置“铅芯橡胶支座”的桥梁也属于隔震桥梁。

2.2工程案例

某规则桥梁为5×25m先简支后连续T梁桥，桥面宽度为12m，桥面铺装为10cm厚沥青混凝土+8cm厚C50混凝土，采用墩高10m的1.4m×1.4m双柱矩形墩，主梁采用C50混凝土，墩柱、盖梁采用C40混凝土，墩柱受力钢筋采用HRB335钢筋。桥梁有限元模型见图3。比较“固定铰支座”、“板式橡胶支座”、“铅芯橡胶支座”３种支座方案的结构自振特性，基本周期对照见表2。通过对比，３种支座方案结构基本振型均为纵飘，方案１（非隔震方案）基本周期为0.8158s，方案２和方案３（隔震方案）基本周期分别为1.3295s和1.6675s，隔震方案的隔震效果较明显，尤其是采用弹性刚度较小的铅芯支座方案的基本周期达到非隔震的2倍以上。

图3桥梁整体有限元模型

2.3设计建议

隔震是相对非隔震而言的，非隔震桥梁指桥梁所有桥墩与梁体采用铰接（桥墩处墩梁无相对线位移），隔震桥梁指桥墩部分或者全部采用隔震支座，如板式橡胶支座、铅芯橡胶支座等（桥墩处墩梁产生相对线位移）。非隔震桥梁的基本周期反映桥梁总质量和桥墩本身的刚度，隔震桥梁的基本周期反映桥梁总质量和支座与桥墩的串联刚度。隔震支座作为结构一部分，其刚度影响桥梁的整体刚度，而且隔震支座的刚度较小，所以隔震桥梁的基本周期比非隔震桥梁的基本周期大。抗震设计时，希望尽量延长周期，当然不是越长越好，达到一个合适的刚度是设计的目标。研究发现当加入隔震支座后桥梁周期延长到原来非隔震周期的2倍或2.5倍时，支座刚度是合适的，日本规范认为这样的隔震支座设计达到了较好的隔震率。我国城市桥梁抗震规范，认为这种隔震方案可以近似采用单自由度简化计算，而在公路桥梁抗震设计细则中，相关条文没有明确解释。

3墩柱斜截面抗剪强度

在地震过程中，当桥墩出现了塑性铰，进入了弯曲延性工作状态后，塑性铰区域内弯剪裂缝宽度增加，使得骨料咬合所能传递的剪力降低。因而在设计公式中对于塑性区域应当包含弯曲延性对剪切强度的折减。墩柱斜截面抗剪强度计算机理一般都采用拱－桁架理论，其计算公式组成大致分为如下2种：（1）考虑混凝土提供的抗剪能力Vc和箍筋提供的抗剪能力Vs，Vn=Vc+Vs，目前各国规范（如美国加州规范[5]）基本都采用此种形式；（2）考虑混凝土提供的抗剪能力Vc、箍筋提供的抗剪能力Vs及轴向力提供的抗剪能力Va，Vn=Vc+Vs+Va。我国现行公路桥梁抗震设计规范只给出了墩柱塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度，采用了Vn=Vc+Vs的形式，具体公式为：

（1）式（1）的局限性主要表现在：（1）该公式主要是针对实心矩形和实心圆形截面，薄壁空心截面的约束混凝土的面积相对较少，空心薄壁截面和实心截面在水平地震力作用下的抗力机制是不同的，空心截面剪力流的传递类似于薄管截面，依赖于翼缘宽厚比；（2）该公式主要针对墩柱塑性铰区域内抗剪验算，未进入塑性的墩柱直接采用上述抗剪计算公式不妥。目前，国外对于桥墩在地震作用下的抗剪强度计算公式有比较多的研究成果，Myoungsu等人对7个1/4比尺矩形空心薄壁柱进行了试验研究，推导出矩形空心薄壁截面的抗剪强度计算公式：

如果墩柱未屈服，《公路桥梁抗震设计细则》JTG/TB02-01―2008里的公式过于保守，可以参考美国加州规范[5]的抗剪强度计算公式：

4结语

我国公路桥梁抗震设计为双水准两阶段设计，现行桥梁抗震设计规范对抗震设防标准、隔震周期及墩柱抗剪强度阐述比较笼统。本文通过研究国外先进抗震设计规范，并进行工程实例验算，探讨了桥梁抗震设防标准，就目前国内关于墩柱抗剪强度计算的问题，改进了验算方法。

参考文献

［1］叶爱君.桥梁抗震［M］.北京:人民交通出版社,2011.

［2］JTG/TB02-01―2008公路桥梁抗震设计细则［S］.

［3］CJJ166―2011城市桥梁抗震设计规范［S］．

［4］日本道路协会.道路桥示方书・同解说:耐震设计编［M］.2002.