橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的現(xiàn)狀（三）
發(fā)布時(shí)間：2010-01-14 共1頁
阻尼比是影響反應(yīng)譜值一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼比較小時(shí)，其變化會(huì)顯著地改變反應(yīng)譜值，從而影響結(jié)構(gòu)所受地震力的小。一般規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜均以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)阻尼比值(通常取0．05)為基準(zhǔn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)主要振型的阻尼比偏離此標(biāo)準(zhǔn)值較多時(shí)，需要對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行修正。AASHTO、ATC—32、Caltrans和NZ規(guī)范不對(duì)反應(yīng)譜進(jìn)行阻尼修正，而EC—8、JAPAN和中國公路規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)譜進(jìn)行阻尼修正。
實(shí)際上，規(guī)范反應(yīng)譜是否需要進(jìn)行阻尼調(diào)整與以下兩件事有關(guān)：(1)所適用的結(jié)構(gòu)。一般說來，不同材料建造的結(jié)構(gòu)(如鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu))，阻尼特性相差很。若規(guī)范適用的范圍廣，則阻尼調(diào)整是必需的；(2)控制結(jié)構(gòu)反應(yīng)的振型數(shù)。結(jié)構(gòu)計(jì)算依賴于阻尼的假定，阻尼假定導(dǎo)致不同振型有不同的阻尼比。若結(jié)構(gòu)的反應(yīng)由多個(gè)振型控制，則可能要求對(duì)阻尼比進(jìn)行修正。美國規(guī)范(如Caltrans規(guī)范)規(guī)定只適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的普通橋梁，因此材料阻尼基本相同。同時(shí)，這些橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)重點(diǎn)在橋墩和基礎(chǔ)，其地震反應(yīng)主要由第一階振型控制，高振型的貢獻(xiàn)很小，因此通常采用單自由度體系模型進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，這樣就無需進(jìn)行反應(yīng)譜的阻尼調(diào)整。即使采用多自由度體系計(jì)算模型，由于地震反應(yīng)主要由第一振型控制，高振型阻尼比的變化導(dǎo)致的反應(yīng)譜的修正對(duì)反應(yīng)的最后預(yù)測(cè)結(jié)果影響甚小、因此從實(shí)際意義上說，可以不對(duì)反應(yīng)譜進(jìn)行阻尼調(diào)整；(3)特殊的阻尼元件。結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計(jì)方法已經(jīng)和即將寫入各國的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。減、隔震元件的阻尼特性顯著不同于結(jié)構(gòu)的材料阻尼特性。有兩個(gè)原因，第一，減隔震裝置產(chǎn)生的阻尼是集中阻尼，而材料阻尼是分布阻尼；第二，減、隔震裝置的阻尼比通常遠(yuǎn)高于材料的阻尼比。這種情況下顯然要對(duì)反應(yīng)譜值進(jìn)行合理的修正，但如何修正尚待研究。1997年7月出版的“Caltrans抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”提出了一個(gè)修正方法，但只針對(duì)位移反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。
4．地震反應(yīng)分析和計(jì)算方法
各國橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用的地震反應(yīng)分析方法列于表4。可以看到，目前規(guī)范計(jì)算地震反應(yīng)的方法有四種，即等效靜力法、線性動(dòng)力法、非線性靜力法和非線性動(dòng)力法。其中等效靜力法和彈性動(dòng)力法是目前規(guī)范中廣泛應(yīng)用的方法。非彈性靜力分析方法主要是用來確定結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)制和能力。ATC—32和Caltrans于1999年出版的橋梁抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中引入這一方法，將來可能有更多的規(guī)范引入這一方法。各國規(guī)范對(duì)非彈性動(dòng)力法用于橋梁抗震設(shè)計(jì)一股只有定性的指導(dǎo)性條款，而沒有實(shí)施細(xì)則。這一方面是由于非彈性問題過于復(fù)雜，另一方面工程師在掌握這一方法方面還需要一定的準(zhǔn)備和培訓(xùn)時(shí)間，在我國的橋梁設(shè)計(jì)部門、越來越多的研究生加入設(shè)計(jì)隊(duì)伍、使用復(fù)雜分析方法的問題會(huì)逐步得到解決。
5．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
國內(nèi)外的公路橋梁絕多數(shù)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，各國橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也主要是針對(duì)這種橋梁結(jié)構(gòu)編寫的。表5列出了各國規(guī)范在鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)方面的方法：
可以看到．美、歐、新西蘭規(guī)范對(duì)很多設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)問題都給出具體的設(shè)計(jì)方法和要求，日本規(guī)范雖未給出配筋等具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，但給出了詳細(xì)的混凝土構(gòu)件允許和極限能力的分析方法，此法可以考慮混凝土、主筋及箍筋等的作用。相比之下，我國現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在這方面十分不足，亟待補(bǔ)充和改進(jìn)。
6．約束和減隔震、耗能設(shè)計(jì)
約束裝置的設(shè)計(jì)和使用已經(jīng)寫入各國的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，我國現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》也有這方面的條款，見表6。減、隔震和耗能技術(shù)則是在近幾年才開始進(jìn)入橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的。美、日、歐、新西蘭規(guī)范中部有詳略不同的條文規(guī)定．我國現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》沒有這方面的條款，是需要補(bǔ)充的一個(gè)方面。減、隔震和耗能技術(shù)雖然已經(jīng)有幾十年的研究歷史，但其應(yīng)用還處于起步階段，相應(yīng)的技術(shù)法規(guī)還不完善。以往這一技術(shù)在橋梁上的應(yīng)用實(shí)例尚不多。日本在阪神地震后，在橋梁修復(fù)、加加固中應(yīng)用較多，但實(shí)際效果如何還有待考驗(yàn)。
7．對(duì)我國城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的建議
前面幾節(jié)對(duì)我國與美、日、歐和新西蘭等國的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比，總的來說，我國現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造措施和條文可執(zhí)行性等方面顯得落后許多。近十幾年發(fā)生在世界各地的地震給橋梁結(jié)構(gòu)造成了重破壞，同時(shí)也促進(jìn)了橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂工作。規(guī)范的修訂主要參考了近十幾年來的地震震害經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)借鑒了結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域的最新研究成果。概況起來，新規(guī)范的發(fā)展動(dòng)向有以下幾個(gè)方面：
(1)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。這是橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的最基本問題。過去的幾十年的時(shí)間里，研究者和工程師都提出分級(jí)抗震設(shè)防的原則：即小震不壞；中震發(fā)生有限的結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞；震發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，但不產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡；而在可能襲擊工程場(chǎng)地最嚴(yán)重的地震作用下，結(jié)構(gòu)不倒塌。這些基本的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)今天被多數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)程所采用。但傳統(tǒng)的作法是，只針對(duì)單一的地震作用水平進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。現(xiàn)在的問題是針對(duì)每一個(gè)目標(biāo)都結(jié)出相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)程序。這樣一來，就需要對(duì)目前實(shí)際上還是單一水準(zhǔn)強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)原則進(jìn)行修訂，采用多水準(zhǔn)、多設(shè)防目標(biāo)和多階段的抗震設(shè)計(jì)原則。
(2)延性和位移設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，即使考慮到延性和位移，也是通過強(qiáng)度指標(biāo)間接地實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到了位移在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重要性，很多研究者和工程師建議在抗震設(shè)計(jì)中直接使用位移為設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣就將形成多參數(shù)抗震設(shè)計(jì)方法：在這方面，各種非彈性反應(yīng)譜的研究和應(yīng)用工作一直在進(jìn)行。一些建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南和準(zhǔn)則已經(jīng)引入了位移設(shè)計(jì)的概念和方法。
(3)減、隔震和耗能設(shè)計(jì)：橋梁結(jié)構(gòu)減、隔震和耗能技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的研究和開發(fā)后，已經(jīng)逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。未來橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)對(duì)這些技術(shù)在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作出具體、細(xì)致的規(guī)定。實(shí)際上， 日、美、歐、新西蘭等主要地震國家的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)引入相應(yīng)的條款，我國新的《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和即將修訂的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》也應(yīng)有相應(yīng)的章節(jié)規(guī)范這一技術(shù)的使用。應(yīng)當(dāng)注意，這一技術(shù)對(duì)橋梁的實(shí)際減震效果雖有少量的驗(yàn)證，但其減震規(guī)律變化和經(jīng)濟(jì)合理性都有待深入論證。
(4)構(gòu)造細(xì)節(jié)。橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的許多問題目前還不能完全通過定量化方法加以解決。因此根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)、概念設(shè)計(jì)和定性研究的結(jié)果提出構(gòu)造細(xì)節(jié)方面的要求，對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全十分重要。美、歐等國家的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和準(zhǔn)則都已十分重視這一點(diǎn)。我國現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在這方面明顯不足，新編的《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》將特別注意這方面的問題。
(5)橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)。從歷次地震震害可以看出，基礎(chǔ)破壞是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要原因之一。由于困難，我國現(xiàn)行《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以若干定性的條款，從工程選址方面加以考慮。今后應(yīng)重視基礎(chǔ)本身的抗震設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于樁基礎(chǔ)等。這方面，美國的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和準(zhǔn)則規(guī)定得比較詳細(xì)，是我們應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)之處。基于阪神地震的經(jīng)驗(yàn)，地震后橋梁上部結(jié)構(gòu)的修復(fù)和重建都比下部基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)和省時(shí)、省力，因此橋梁基礎(chǔ)的抗震能力的要求應(yīng)比橋墩高。
(6)規(guī)范條文的可操作性。
8．結(jié)語
本文首先對(duì)世界主要橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的現(xiàn)狀進(jìn)行了較為詳細(xì)的對(duì)比，指出了我國現(xiàn)行《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中存在的一些缺點(diǎn)。同時(shí)本文還對(duì)國際上橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行了總結(jié)，提出了編制我國新《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的一些總的意見。本文觀點(diǎn)和結(jié)論均是作者個(gè)人見解，文中的遺漏和錯(cuò)誤之處，歡迎同行批評(píng)和指正。
