關于《公路工程抗震設計規(guī)范》jj004-89的幾點思考

關于《公路工程抗震設計規(guī)范》jj004-89的幾點思考

《道路安全設計規(guī)范》（jtj004-89）（以下簡稱“公共安全規(guī)則”）是我國道路安全設計方法的指導意見?！豆挂?guī)》反映了單一設防標準和單純的結構強度設防為依據(jù)的“以剛克剛”設計思想。近10年來,國內(nèi)外曾多次發(fā)生的強烈地震均造成了生命財產(chǎn)的巨大損失,橋梁結構也出現(xiàn)了許多前所未有的新的震害形式。在總結震害教訓中,一些國家,如日本很快地對設計規(guī)范作出了修改。1995年1月17日阪神大地震發(fā)生的當年就制定了《公路橋修復方法》,用以指導公路橋的震后修復加固工作,并在1996年12月公布了新的抗震規(guī)范。與美國、日本、歐洲、新西蘭的抗震設計規(guī)范乃至中國的建筑抗震設計規(guī)范GBJ11-89相比,《公抗規(guī)》存在著許多應改進之處,其中考慮橋墩的延性和采用減震裝置的“以柔克剛”的減震設計,從減小地震作用而減小橋梁結構的地震反應是極其重要的內(nèi)容。結構動力分析理論、計算方法、計算手段的進步以及對地震現(xiàn)象和橋梁震害機理的深入認識,強震記錄數(shù)據(jù)的積累也推動了《公抗規(guī)》的修訂工作,在這樣的背景下,交通部于1996年底確定了《公路橋梁減震裝置及設計方法研究》的科研課題(以下簡稱《課題》),以期提高中國橋梁結構的抗震能力,追趕國際先進水平,為新一代《公抗規(guī)》的制定提供參考依據(jù)。1計算和準備抗災害分類、相對應破壞模式和方法1.1中國橋梁結構抗震設計現(xiàn)狀地震發(fā)生的地點、時間和強度盡管有一定的規(guī)律性,但畢竟還是不確定性非常強烈的地球物理現(xiàn)象,《公抗規(guī)》根據(jù)國家地震局頒布的中國地震烈度區(qū)劃圖確定某一地區(qū)的設防烈度,這種確定性的單一設防標準和與之對應的破壞準則、計算方法卻有極大的模糊性和隨意性,橋梁結構的地震響應難以明確。其實,設計基準期中橋梁結構所遭遇的地震還是中、小地震為多,大地震很少,因此橋梁結構的抗震應和世界橋梁抗震先進國家一致,采用“小震不壞,中震可修,大震不倒”的分級設防原則。按照《建筑結構設計統(tǒng)一標準》的規(guī)定,新抗震規(guī)范應采用以概率統(tǒng)計為基礎的設計方法,《課題》建議明確將抗震設防標準分為兩級,在地震發(fā)生概率密度最大的小震影響下,結構保持在彈性階段工作,即“小震不壞”的截面設計水準,簡稱L1水準;在罕見的強烈地震影響下,允許結構發(fā)生較大的塑性變形,但應確保結構的整體安全,不應倒塌,即“大震不倒”的抗震設防水準,簡稱L2水準。根據(jù)中國主要地震區(qū)地震發(fā)生概率的統(tǒng)計分析,基本烈度(即《公抗規(guī)》的設防烈度)大體是50年內(nèi)超越概率10%～13%的烈度,而小震烈度或稱眾值烈度的超越概率為63%,大震烈度或稱罕遇地震的超越概率為2%～3%,概率分布為極值Ⅲ型分布,如圖1所示?！墩n題》確定L1、L2分別為小震(眾值)和大震(罕遇)烈度,L1水準烈度比基本烈度平均降低1.55度,L2水準烈度則比基本烈度提高1度左右。表1為計算地震荷載時采用的不同烈度的水平地震系數(shù)Kh和地震影響系數(shù)的最大值αmax(αmax=βmaxKh=2.25Kh)。1.2抗震設計方法L1水準地震作用下,結構處于彈性或基本彈性的“不壞”狀態(tài),使“小震不壞,中震可修”得到具體保證,因此L1水準下按照強度破壞準則及相應的彈性設計方法進行抗震設計。L2水準地震作用下,結構已進入塑性,橋梁結構產(chǎn)生了較大的變形,但要保證不致倒塌,因此應按照延性破壞準則及相應的延性設計方法進行抗震設計,必要時還應進行L2水準下的極限承載能力的驗算。2結構的地震反應及加速度多質(zhì)點體系地震作用下振動方程為[M]{X¨}+[C]{X˙}+[K]{X}=?M{I}X¨g(1)[Μ]{X¨}+[C]{X˙}+[Κ]{X}=-Μ{Ι}X¨g(1)式中:[M]、[C]、[K]分別為結構的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣;{X}、{X˙X˙}、{X¨X¨}分別為結構反應的位移、速度和加速度矩陣;{X¨X¨g}為地面運動的加速度矩陣?？梢?橋梁結構的地震反應與地面運動的加速度、結構的質(zhì)量(及分布)、阻尼和剛度有關。一般情況下不易改變橋梁結構的質(zhì)量及其分布,但利用結構自身的延性或在橋梁中設置減震裝置改變橋梁結構的阻尼、剛度,則會改變橋梁結構自身的動力特性、振動形態(tài)或使橋梁上、下部結構之間、橋梁與地基之間產(chǎn)生動力互相干涉,減小地震作用,從而達到橋梁結構減震的目的。2.1關于l1、l1基準地震荷載L2水準地震作用下,橋梁產(chǎn)生震害的主要部分——橋墩已進入了塑性狀態(tài),考慮結構從屈服到破壞的后期變形能力符合橋墩的實際地震反應,因此可根據(jù)由橋墩的破壞形式?jīng)Q定的容許塑性率折減地震作用。以下列出《課題》提出的柔性墩墩身自重在墩身質(zhì)點i的水平地震荷載計算式為例,以比較L1和L2水準地震荷載的差異。L1水準Ehp1=ciCE1Kh1β1Gi(2)L2水準Ehp2=ciCE2Kh2cβ2Gi(3)L1水準Ehp1=ciCE1Κh1β1Gi(2)L2水準Ehp2=ciCE2Κh2cβ2Gi(3)式中:Ehp1、Ehp2分別為L1、L2水準墩身質(zhì)點i的水平地震荷載;ci為重要度修正系數(shù)(見《公抗規(guī)》中表1.0.4);CE1、CE2分別為L1、L2水準的阻尼修正系數(shù),由表2、3查取;Kh1為L1水準水平地震系數(shù),由表1查取;Kh2c為L2水準等價水平地震系數(shù)。Kh2c=Khc2μa?1√(4)Κh2c=Κhc2μa-1(4)式中:Khc為L2水準水平地震系數(shù),由表1查取,μa為容許塑性率,當橋墩為彎曲型破壞時μa=1+δu?δyαδy(5)μa=1+δu-δyαδy(5)式中:δu為鋼筋混凝土橋墩的極限變位,δy為鋼筋混凝土橋墩的屈服變位,α為計算容許塑性率的安全系數(shù),當橋墩為剪切型破壞或混合型破壞時μa=1;β1、β2分別為由彈性剛度、屈服剛度計算出的橋梁基本周期按《公抗規(guī)》反應譜查取的動力放大系數(shù);Gi為i質(zhì)點處橋墩質(zhì)量。對比式(2)、(3)和《公抗規(guī)》式(4.2.6—3)可見:(1)取消了(4.2.6—3)式中的綜合影響系數(shù)Cz,引入了L1、L2水準時不同的CE1和CE2;(2)由于考慮結構延性,減小了L2水準的地震荷載;(3)采用屈服剛度計算橋梁基本周期,查取的β2將有可能進一步減小地震荷載。2.2增設實施網(wǎng)壓裝置橋梁結構的長周期化和增加阻尼可以減小地震作用和結構的變位,延性設計雖可減小地震作用,但一旦發(fā)生L2水準地震,橋墩的震后修復卻不易進行,因而在有條件的情況下,可采取限制橋墩的損傷程度,將一部分地震能量轉移到橋梁易更換的構件,如梁式橋的支座上,則式(5)改為μm=1+δu?δyαmδy(6)μm=1+δu-δyαmδy(6)式中:μm為安裝減震裝置后的容許塑性率。將αm代替α并取αm=2α,即限制了利用橋墩延性消耗地震能量的大小,鉛銷橡膠支座和高阻尼橡膠支座的雙線性剛度和滯回耗能,可調(diào)節(jié)橋墩結構固有周期和阻尼,又可利用橋梁上部結構與下部結構的動力干涉,從而達到減震的目的。3單次實施控制設置減震裝置的減震設計的關鍵是選擇合適的減震裝置。可用于橋梁減震的裝置很多,有整體式的,也有分離式的,但其共同的特點是具有不同的剪切剛度和良好的耗能性能。3.1回歸分析了設計參數(shù)的計算公式鉛銷橡膠支座(LeadRubberBearing,以下簡稱LRB)是在普通的橡膠支座中壓入鉛銷而成。鉛在常溫下具有再結晶的良好性能,屈服前后將使支座具有不同的剪切剛度并能得到飽滿的滯回曲線以耗散地震能量?！墩n題》進行了大量的不同高度、根數(shù)、直徑的鉛銷橡膠支座的試驗研究,回歸分析了設計參數(shù)的計算公式K2=[F(uBe)?Qd]/uBe(7)K1=(6.5～10)K2(8)KB=[F(uBe)?F(?uBe)]/2uBe(9)hB=Δw/2πW=2Qd[uBe+Qd/(K2?K1)]/ЛuBe(Qd+uBeK2)(10)Κ2=[F(uBe)-Qd]/uBe(7)Κ1=(6.5～10)Κ2(8)ΚB=[F(uBe)-F(-uBe)]/2uBe(9)hB=Δw/2πW=2Qd[uBe+Qd/(Κ2-Κ1)]/ЛuBe(Qd+uBeΚ2)(10)式中:K2為鉛銷橡膠支座的二次剛度,即支座鉛銷屈服后的剛度;K1為鉛銷橡膠支座的一次剛度,即支座鉛銷屈服前的剛度;KB為鉛銷橡膠支座的等價剛度;hB為鉛銷橡膠支座的等價阻尼系數(shù);uBe為支座的有效設計變位;F(uBe)為使支座產(chǎn)生有效設計變位的最大剪力;Qd為鉛銷橡膠支座的屈服荷載。具體計算示例見參考文獻。3.2lrb在橋梁地震作用中的應用(1)LRB具有水平柔韌性好、垂直承載力高、制作簡單、安裝方法簡便的優(yōu)點。(2)鉛銷屈服前后的不同剪切剛度K1和K2可對應橋梁結構的不同反應狀態(tài),和普通橡膠支座相比,K1>KL(KL為普通橡膠支座的剛度),可減小橋梁結構運營狀態(tài)的位移。當鉛銷屈服即當?shù)卣鸢l(fā)生后K2<K1,又可延長橋梁結構的固有周期,減小地震反應。(3)LRB具有飽滿穩(wěn)定的滯回曲線,可有效提高橋梁結構阻尼,減小地震作用并能耗散地震能量。(4)LRB的設置對于剛性墩和柔性墩可分別通過隔震和動力互相干涉作用減震。(5)LRB具有明顯的減震效果并可通過支座高度、鉛銷直徑、根數(shù)的選擇進行優(yōu)化設計。4橋梁減緩設計程序在分級設防和減震設計思想的指導和大量鉛銷橡膠支座試驗的基礎上,《課題》編制了橋梁減震兩階段設計程序。該程序可對采用減震設計的梁式橋進行非線性地震響應分析,以檢驗其減震效果。5國內(nèi)外橋梁抗震設計情況《課題》已完成了公路橋梁減震設計方法橋梁結構減震裝置、減震裝置的動力特性及減震機理、減震設計橋梁的地震動態(tài)反應時程分析、橋梁減震兩階段設計及其程序等內(nèi)容的研究工作。綜觀國內(nèi)外橋梁抗震設計,《課題》提出的橋梁結構和抗震分級設防標準及相應破壞準則、設計方