中美公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對比分析

中美公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對比分析

地震是一種極其有害的自然災(zāi)害。作為一個(gè)交通中心，橋梁的抗疲勞緊急準(zhǔn)備也很重要。作為地震多發(fā)國家,進(jìn)入21世紀(jì)后,針對眾多橋梁震害的啟示,我國于2005年編制了《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(征求意見稿)》,吸收了許多新的研究成果。美國的加州是世界著名的強(qiáng)震區(qū),其橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范一直備受矚目。加州的《Caltrans抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(1.2版)》是在1999年版本基礎(chǔ)上修訂而成的,采用了較為先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)理念。通過對我國規(guī)范和美國規(guī)范進(jìn)行分析比較,有助于理解橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范條文的意義,找出我國和先進(jìn)國家在抗震設(shè)防理念上的差距,并更加深入地了解橋梁抗震設(shè)計(jì)的思想。1橋梁抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(征求意見稿)》要求重要橋梁在罕遇地震下保持彈性,一般橋梁在多遇地震下保持彈性而在罕遇地震下允許進(jìn)入塑性狀態(tài)。《Caltrans抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(1.2版)》的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)基于識別場地的最大可信地震MCE(MaximunCredibleEarthquake)作用。兩種規(guī)范的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。2總體結(jié)構(gòu)分析分析以往的橋梁震害資料,可以看出橋梁震害主要產(chǎn)生于下部結(jié)構(gòu),上部結(jié)構(gòu)的破壞一般都是由于下部結(jié)構(gòu)的破壞而產(chǎn)生過大位移造成的。因此,橋梁抗震驗(yàn)算的重點(diǎn)是橋墩和支座等下部構(gòu)件。表2給出了兩種規(guī)范橋梁抗震驗(yàn)算一般規(guī)定的比較。兩種規(guī)范對墩柱抗震驗(yàn)算的異同見表3。3比較分析的抗彎工程下面將對一座4×30m連續(xù)梁橋分別采用兩種規(guī)范進(jìn)行縱橋向簡單抗震設(shè)計(jì),以實(shí)際體會(huì)兩種規(guī)范的異同。3.1橋梁截面尺寸某一4×30m連續(xù)梁橋,見圖1。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,寬18m,高1.5m,橋面鋪裝層厚度13cm,三道防撞欄質(zhì)量共計(jì)2.6t/m。采用雙柱式橋墩,墩柱為1.5m×1.35m的實(shí)心鋼筋混凝土截面,橫向間距為4.15m,混凝土用C50。中墩每一立柱頂設(shè)置一固定盆式支座,其他立柱頂設(shè)置單向活動(dòng)盆式支座。橋梁處于中硬場地,采用剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)。墩柱截面尺寸及配筋如圖1。主筋為38根直徑28mm的Ⅱ級鋼筋,凈保護(hù)層厚度為40mm,箍筋為直徑12mm的Ⅱ級鋼筋,縱向間距在塑性鉸區(qū)內(nèi)為10cm,塑性鉸區(qū)外為20cm。3.2根據(jù)《道路橋梁承受設(shè)計(jì)指南》意見草案進(jìn)行抗洪設(shè)計(jì)3.2.1縱橋地震力計(jì)算抗震設(shè)防烈度為8度,橋址場地設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為A=0.20g,橋址為I類場地條件,場地特征周期Tg取值為0.30s。橋梁結(jié)構(gòu)縱橋向可簡化為單自由度振動(dòng)體系,其自振周期為:T=2πmK??√=0.89s>Tg=0.30sΤ=2πmΚ=0.89s>Τg=0.30s設(shè)計(jì)水平地震力為Ehtp=Sh1Gtp/g=Sm=2.25CiCsCdAm,則墩柱縱橋向設(shè)計(jì)地震力考慮滑動(dòng)墩摩阻影響后為Ehtp=Sm-Ci∑μiNi計(jì)算結(jié)果:設(shè)計(jì)地震E1級水平地震力=2331.49kN,E2級水平地震力=7034.21kN3.2.2延性組件的設(shè)計(jì)下面對固定墩的單個(gè)墩柱進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。(1)恒載軸力m墩底彎矩為:M=Ehtp1q2×H=8160.22kN?mΜ=Ehtp1q2×Η=8160.22kΝ?m,恒載軸力為:N=5682.31kN,在軸力作用下,墩柱抗彎強(qiáng)度為:Mu=5746.34kN·m<M,故需增加縱向鋼筋。將截面上下緣的縱筋改成上下各兩排,每排11根直徑28mm的Ⅱ級鋼筋,則Mu=8377.24kN·m>M,滿足要求。(2)墩柱抗剪強(qiáng)度剪力設(shè)計(jì)值:Vc0=?0MxzcHn=1658.02kNVc0=?0ΜzcxΗn=1658.02kΝ,墩柱的抗剪強(qiáng)度由混凝土抗剪強(qiáng)度Vc和橫向鋼筋抗剪強(qiáng)度Vs提供,塑性鉸區(qū)內(nèi):Vc0<?×(Vc+Vs)=3565.05kN,塑性鉸區(qū)外:Vc0<?×(Vc+Vs)=2582.18kN,均滿足要求。(3)變形試驗(yàn)計(jì)算地震E2作用下,墩頂水平位移:Δl=cδ=90mm,單柱墩容許位移為:Δul=359.10mm,Δul>Δl,滿足要求。3.3根據(jù)caltrans抗疲勞設(shè)計(jì)指南1.2版進(jìn)行抗疲勞動(dòng)設(shè)計(jì)為便于比較兩種規(guī)范的區(qū)別,此處設(shè)計(jì)地震力依然采用5.2.1中確定的縱橋向水平地震力。下面對固定墩的單個(gè)墩柱進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。(1)恒載軸力n墩底彎矩為:M=0.1×Pdl2×L=13448.23Μ=0.1×Ρdl2×L=13448.23kN·m,恒載軸力為:N=5682.31kN,在軸力作用下,墩柱抗彎強(qiáng)度為:Mu=5746.34kN·m<M,故需增加縱向鋼筋。將截面縱向鋼筋改為上下緣各三排,每排12根直徑28mm的Ⅱ級鋼筋,則Mu=13644.35kN·m>M,滿足要求。(2)塑性鉸區(qū)檢測結(jié)果最大剪力需求為:Vc0=1.2ML=2660.82Vc0=1.2ΜL=2660.82kN,塑性鉸區(qū)內(nèi):Vc0<?×(Vc+Vs)=4312.62kN,塑性鉸區(qū)外:Vc0<?×(Vc+Vs)=3196.01kN,均滿足要求。(3)整體變形能力橋梁的整體位移應(yīng)滿足Δd<Δc,本例中,橋梁的整體變形能力取決于固定墩的變形能力,因此近似以固定墩的變形能力作為橋梁結(jié)構(gòu)的整體變形能力。則Δd=72mm<Δc=355.62mm,滿足要求。3.4墩柱抗彎能力從算例中可以看出,美國規(guī)范的彎矩需求為13448.23kN·m,對剪力的需求為2660.82kN,均遠(yuǎn)高于我國規(guī)范所對應(yīng)的值,可見美國規(guī)范對墩柱的抗彎能力提出了更高的要求。又可見,使用美國規(guī)范設(shè)計(jì)固定墩縱筋增加了136%,而使用我國規(guī)范設(shè)計(jì)縱筋只增加了63%,可知美國規(guī)范對固定墩的延性要求更高。4中美延性構(gòu)件設(shè)計(jì)的對比抗震設(shè)防不能追求絕對的安全,需從危險(xiǎn)概率的大小來定義安全度,“小震不壞、中震可修、大震不倒”的多級設(shè)防思想已為包括中美在內(nèi)的多國設(shè)計(jì)規(guī)范所采用。延性構(gòu)件對整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)體系所起的作用如同保險(xiǎn)絲,橋梁的抗震安