小议桥梁抗震设计有关问题

2022-09-10

我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间, 属多震国家, 在抗震救灾中, 公路交通是抢救人民生命、恢复生产的生命线。为保障公路桥梁设施的完好, 发挥其在抗震救灾中的作用, 需对公路桥梁设计进行深入的抗震计算和研究。结构抗震构造设计是桥梁设计中的重要环节, 涵盖内容丰富。若能把地震力效应的受力计算以及概念设计综合运用到设计上, 往往会得到事半功倍的效果。

1 公路桥梁抗震设防原则及分类

1.1 设防原则

桥梁结构抗震设计的基本思想和设计准则是制定设计规范的重中之重, 它决定了抗震设计要达到的目标、地震动水平和结构对地震反应的计算方法。我国现行的《公路桥梁抗震设计规范》 (JTJ004-89) 采用的是单一水准的抗震设防思想, 进行了基本烈度 (中震) 下的抗震指引。基本烈度是由中国地震烈度区划图确定的。该规范7度、8度和9度地区相应的地震最大动加速度设计值分别取0.1g、02.g和0.4g (g=9.8m/s2为重力加速度) 。

另外, 根据线路等级和结构重要性以及修复的难易程度, 采用重要性修正系数对结构的地震作用进行修正。但公路桥梁抗震设计规范的重点放在梁式桥墩台和一般跨径的拱桥上, 较少详尽考虑刚架拱桥、连续刚构、斜拉桥、超过150m的梁式桥等。因此, 单一的抗震强度设防思想在目前我国公路桥梁抗震设计中有待完善。

1.2 震级和烈度

震级:反映某次地震震源释放能量的多少。

烈度:表示某一地区的地面和各类建筑物遭受某一次地震影响的强弱程度, 是反映某个指定场地的地面运动效应的尺度。烈度以描述震害宏观现象为主, 根据建筑物的破坏程度、地貌变化特征、地震时人的感觉、家具器物的反应等方面进行分级。

由此可见, 震级是定量概念, 与某次地震对应;烈度是定性概念, 与某次地震非一一对应, 但与结构的破坏程度和地震动峰值加速度对应。因此, 设防烈度才是抗震设计的主要依据。

2 桥梁抗震设计

2.1 设防水准的确定

地震安全性评价的主要内容包括地震地质条件评价、地震危险性概率分析、基岩地震动加速度研究、工程场地条件、场地设计地震动参数、地震砂土液化判别等内容。结构设防等级综合考虑设防水准及桥址地震安全性条件。即同一设防水准, 在地震多发地区, 设防等级要高于地震少发地区。而设防水准的量化值为地震重现期, 或者地震超越概率。

结构在进行抗震设计之初就要确定其设防水准。近年来桥梁结构设防概念多按三水准设防, 即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。设防水准偏低, 结构将过早丧失其功能;设防水准偏高, 则投资过高且结构抗力起不到应有的作用。以人行桥为例, 若仅是景区桥, 简单的取用公路大桥设防标准, 则有可能增加很多不必要的投资。

2.2 概念设计

桥梁结构抗震概念设计较之数值设计更为重要却往往易被忽略。概念设计主要包括:桥位选择、桥型、桥梁结构体系选择。桥梁结构体系布置中, 墩高对抗震能力的影响和支座的布置是设计人员最关心的问题。墩高对整体结构的影响包括以下两个方面: (1) 结构频率的影响:有可能导致上部结构剪力变大; (2) 对于力臂的影响:墩身质量的增大导致的墩底弯矩变大。

2.3 数值分析

2.3.1 地震动作用输入方向及工况组合

地震动作用非常复杂, 包括水平向、竖向作用以及扭转作用。抗震分析中一般考虑水平作用和竖向作用, 竖向作用通常采用与水平作用相同的地震动输入形状, 峰值取值各国规范有所不同。中国《公路工程抗震规范》规定竖向作用的峰值为水平向的0.5倍, 美国规范规定不小于0.6倍, 欧洲规范因周期而异 (见表1) , 国内大型桥梁设计则多取2/3。

由于地震作用在水平方向的输入是不确定的 (即可以从任何方向进入桥址场地) , 通常抗震设计中考虑地震作用沿桥轴线和垂直桥轴线两个方向进入进行地震力效应组合验算。AASHTO规范规定的水平力有两个工况组合:即LC1在第一个垂直方向的力效应绝对值与第二个垂直方向的力效应绝对值的30%相组合;LC2在第二个垂直方向的力效应绝对值与第一个垂直方向的力效应绝对值的30%相组合。国内计算时通常分别计算两个方向的水平力, 并各自与竖直荷载组合。

2.3.2 三种数值分析方法的比较

常用的地震力计算方法主要有静力法、动力反应谱法和动态时程分析法。静力法是把水平向地震动加速度产生的惯性力作为荷载加在结构上的。反应谱法考虑了结构的动力特性, 用静力的方法解决动力问题。动态时程分析法则建立结构地震振动方程, 进而求解结构每一时刻的结构响应。三种方法各有所长, 主要区别见表3。

在利用地震力与恒载组合进行构件抗力验算时, 须结合各种分析法计算构件截面组合的内力。反应谱法求解的是截面各内力的包络极值, 时程法得出的极值应和反应谱法的结果相近, 但这两种方法所取得的N、Q、M三种内力结果基本不可能同时出现。时程分析法中某最大内力对应的其他内力值比时程法极值小, 与恒载组合的内力则是地震作用下可以实际出现的。下表为桥梁构件某截面计算结果, 由三种方法得到其地震内力值 (见表3) 。