橋梁鐵路抗震規(guī)范與公路抗震規(guī)范對比分析

張 鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

目前橋梁設(shè)計時參考的抗震規(guī)范主要有兩部:2006年鐵道部頒布的《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)和 2008年交通運輸部頒布的《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/TB02—01—2008)。 《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》有關(guān)橋梁抗震設(shè)計方面的內(nèi)容包含在第七章中,而《公路橋梁抗震設(shè)計細則》僅適用于橋梁抗震設(shè)計。

2008年 5月的汶川地震造成了重大的人員物質(zhì)損失,橋梁作為交通的咽喉,其破壞造成交通中斷引起的二次損失往往大于直接損失。圖1為震后百花大橋的俯視圖。汶川地震對其后頒布的《公路橋梁抗震設(shè)計細則》產(chǎn)生了巨大影響,這本規(guī)范吸收了橋梁抗震領(lǐng)域世界范圍內(nèi)的最新成果,拓展和細化了橋梁減震抗震的設(shè)計理念和措施。

圖1 百花大橋倒塌俯視圖

與《公路橋梁抗震設(shè)計細則》相比,《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》在有關(guān)橋梁抗震設(shè)計方面的內(nèi)容具有一定的實用性,但在設(shè)計理念、設(shè)計方法、抗震措施等方面卻有很大的局限性,需要進一步提高。本文在對比《公路橋梁抗震設(shè)計細則》的基礎(chǔ)之上,分析了《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的優(yōu)點和不足,對鐵路橋梁抗震規(guī)范今后的修訂提出了一些看法和建議。(注:文中鐵路橋梁抗震規(guī)范指《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》關(guān)于橋梁部分)

2 鐵路橋梁抗震規(guī)范的優(yōu)點

《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》提出了橋梁抗震設(shè)計的地震動水準,即:多遇地震、設(shè)計地震和罕遇地震,并且規(guī)定了在上述三種地震動水準下的三種抗震設(shè)防目標。這三種抗震設(shè)防目標分別為:

(1)性能要求Ⅰ,地震后橋梁不損壞或輕微損壞,能夠保持其正常使用功能;結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài);

(2)性能要求Ⅱ,地震后橋梁可能損壞,經(jīng)修補,短期內(nèi)能恢復(fù)其正常使用功能;結(jié)構(gòu)整體處于非彈性工作階段;

(3)性能要求Ⅲ:地震后橋梁可能產(chǎn)生較大破壞,但不出現(xiàn)整體倒塌,經(jīng)搶修后可限速通車;結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作階段。在第七章《橋梁》一章中,從“一般規(guī)定”、“橋墩抗震分析方法”、“鋼筋混凝土橋墩延性設(shè)計”、“支座與橋臺”以及“抗震措施”5個方面,對橋梁抗震做了具體規(guī)定。

該規(guī)范的主編單位為原鐵道第一勘察設(shè)計院(以下簡稱鐵一院),其內(nèi)容充分結(jié)合了鐵一院建院五十多年來的工程實踐和積累的資料,來源于勘察設(shè)計實踐又反過來指導(dǎo)勘察設(shè)計實踐,發(fā)揮了勘察設(shè)計單位作為主編的優(yōu)越性,具有很強的實用性。

3 鐵路橋梁抗震規(guī)范的不足

《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》自頒布以來,因其實用性較高,在鐵路橋梁設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。但與《公路橋梁抗震設(shè)計細則》及國外發(fā)達國家橋梁抗震規(guī)范相比,仍然存在一定差距,需要進一步提高。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)基于橋梁抗震性能設(shè)計方面:《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》雖然提出了 3個性能要求,但卻未能詳細規(guī)定這 3個性能要求的使用范圍,過于籠統(tǒng)。對于特大橋和重要橋梁,應(yīng)該保證在罕遇地震下橋梁抗震性能達到性能要求Ⅰ的目標;而對于小橋和非重要橋梁,可以適當(dāng)降低要求,在罕遇地震下只要橋梁達到性能要求Ⅱ或Ⅲ的要求即可,這種對不同橋梁提出不同抗震性能要求的思想在學(xué)術(shù)界稱為基于性能的橋梁抗震設(shè)計理念。在《公路橋梁抗震設(shè)計細則》中,橋梁抗震設(shè)防分為 A、B、C和 D四種類別,分別于對應(yīng) 4種情形,見表1。比如 A類對應(yīng)于單跨跨徑超過 150m的特大橋,D類對應(yīng)于三四級公路上的中、小橋。這種方法細化了“大震不倒、中震可修、小震不壞”的理念,使得基于性能的抗震設(shè)計成為可能。

(2)有限元計算與分析方面鐵路橋梁抗震 7.2節(jié)“橋墩抗震分析方法”中提到的設(shè)計方法以反應(yīng)譜理論為基礎(chǔ),以手算為計算分析手段。這種方法適用于跨徑小,結(jié)構(gòu)形式簡單的橋梁。近年來,橋梁的跨度越來越大,結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜,對橋梁抗震性能的要求越來越高,使得該方法越來越難于滿足工程設(shè)計要求,只能作為一種估算方法。隨著計算機技術(shù)和有限元理論的發(fā)展,有限元軟件逐漸應(yīng)用于鐵路橋梁抗震設(shè)計中。圖2為采用大型有限元分析軟件 Midas建立的橋梁抗震分析模型。利用有限元做橋梁抗震設(shè)計,除了能夠按照反應(yīng)譜理論計算橋梁的抗震響應(yīng)外,還能對橋梁進行時程分析、減隔震非線性分析、樁土相互作用分析和行波效應(yīng)分析等。鐵路抗震規(guī)范中有關(guān)有限元方法的論述較少,而公路抗震規(guī)范對有限元方法的應(yīng)用條件、建模與分析原則、結(jié)構(gòu)評價標準等方面均有較為詳盡的論述,極大地提高了橋梁抗震計算分析的可靠性。

表1 橋梁抗震設(shè)防類別適用范圍

圖2 某大橋抗震分析模型

(3)橋梁減隔震措施方面。傳統(tǒng)橋梁抗震設(shè)計是通過提高橋墩的剛度來“抗”震的,這種方法在提高橋墩承載力的同時,另一方面會產(chǎn)生更大的地震響應(yīng),地震響應(yīng)增大反過來又必須增加橋墩的剛度,形成一種惡性循環(huán),使得該方法的效果大為降低。近年來,橋梁減隔震的設(shè)計理念逐漸推廣,目前在工程界已經(jīng)應(yīng)用的橋梁減隔震系統(tǒng)包括液體粘滯阻尼器、液體粘彈性阻尼器、金屬摩擦擺、鉛芯橡膠抗震支座和鎖定裝置等。圖3為江陰長江大橋中應(yīng)用的液體粘滯阻尼器。

這些阻尼器性能穩(wěn)定,且在 SAP2000和 Midas等大型分析軟件中均有對應(yīng)的模擬模塊,利用這些模塊可以準確計算出配置減隔震體系后橋梁的地震響應(yīng),從而根據(jù)實際情況選擇最優(yōu)化的減隔震系統(tǒng),進而降低地震對結(jié)構(gòu)的破壞和工程造價。吉林松花江龍華 7孔連續(xù)梁橋上的 16個鎖定裝置可以將固定支座上的水平剪力減少 45.3%[1]。

圖3 江陰大橋阻尼器安裝就位

目前《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中,還沒有橋梁減隔震設(shè)計方面的內(nèi)容。而《公路橋梁抗震設(shè)計細則》中則從“一般規(guī)定”、“減隔震裝置”、“建模原則與分析方法”、“性能要求與抗震驗算”等幾個方面做了詳細論述,為橋梁減隔震設(shè)計提供了依據(jù)。

(4)結(jié)構(gòu)可靠度與極限狀態(tài)設(shè)計法方面:《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》作為鐵路工程系列規(guī)范的一個重要組成體系,延續(xù)了按照容許應(yīng)力法進行結(jié)構(gòu)檢算的基本思路。容許應(yīng)力法是以荷載及其組合所產(chǎn)生應(yīng)力不大于容許應(yīng)力為安全準則[2],將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力降低某一個大于 1的安全系數(shù),使結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備。安全系數(shù)的確定很大程度上依賴于工程設(shè)計經(jīng)驗,超過上述限制,結(jié)構(gòu)未必不安全,因此這種理念并不完全正確,并不能真正反映結(jié)構(gòu)是否安全。在實際設(shè)計中,材料的容許應(yīng)力比規(guī)范規(guī)定的還要小一些,往往是采用了一個比安全系數(shù)更為“安全”的系數(shù)。按照這樣的設(shè)計理念,往往難于完全發(fā)揮材料性能,造成極大的浪費。

容許應(yīng)力法是早期結(jié)構(gòu)設(shè)計理論不成熟時采用的設(shè)計方法,近年來國內(nèi)外設(shè)計理論有了很大發(fā)展,公路橋梁規(guī)范和建筑規(guī)范中均已采用基于可靠度理論的極限狀態(tài)法?？煽慷仁墙Y(jié)構(gòu)完成其預(yù)定功能的概率[3～4],沒有絕對安全的結(jié)構(gòu),因此可靠度也就不能用一個絕對的、不變的標準來衡量。在一定結(jié)構(gòu)可靠度的基礎(chǔ)上,將結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性用承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別評價。前者主要用于評價結(jié)構(gòu)是否會喪失承載能力出現(xiàn)倒塌、屈服等狀況,后者主要用于評價結(jié)構(gòu)裂縫是否過大導(dǎo)致鋼筋銹蝕嚴重而影響結(jié)構(gòu)正常使用。對于不同的極限狀態(tài),在分析實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對應(yīng)不同的荷載,在其標準值的基礎(chǔ)上乘以折減系數(shù)。這樣就將容許應(yīng)力法中的單一安全系數(shù)細化為不同狀態(tài)下對應(yīng)不同荷載的“安全系數(shù)”,提高了工程設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。

4 建議

與《公路橋梁抗震細則》相比,雖然《鐵路工程抗震規(guī)范》具有一定的實用性和先進性,但是在設(shè)計理念、分析方法、抗震措施和設(shè)計方法等方面還有很大的差距。為了吸收最新的國內(nèi)外橋梁抗震研究成果和適應(yīng)我國鐵路事業(yè)的發(fā)展,提出以下建議。

(1)編寫針對鐵路橋梁抗震設(shè)計的《鐵路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》。目前鐵路橋梁設(shè)計所依據(jù)的《鐵路工程抗震規(guī)范》,除了橋梁抗震設(shè)計的條文之外,還涉及線路、路基和隧道等結(jié)構(gòu),內(nèi)容龐雜。就篇幅而言,該規(guī)范中有關(guān)橋梁抗震設(shè)計的論述僅有一章,占總篇幅的 36.8%。多次震后調(diào)查表明,橋梁在地震中的破壞幾率和程度遠大于其他結(jié)構(gòu),并且橋梁抗震的理論、方法、手段和措施與其他結(jié)構(gòu)相差較大,因此很有必要編寫一本類似于《公路橋梁抗震設(shè)計細則》那樣針對性強的《鐵路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》。

(2)發(fā)揮高校和科研單位在新規(guī)范編寫過程中的作用?，F(xiàn)有《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的主編單位為鐵一院,參編人員主要是來自設(shè)計院的同志。這樣的人員構(gòu)成有利于吸收設(shè)計一線的工程經(jīng)驗,所編寫的規(guī)范具有很強的實用性,便于為廣大設(shè)計人員掌握。但另一方面,設(shè)計院的同志主要從事設(shè)計工作,限于工作內(nèi)容,深層次的理論研究不多,無法及時將橋梁抗震領(lǐng)域最新的研究成果納入規(guī)范中。以上文提到的橋梁減隔震設(shè)計為例,目前此方面的研究已較為成熟,在國內(nèi)外也已應(yīng)用于許多實際工程之中,然而在《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中卻未提及。因此需要鐵道部或者國家相關(guān)部門組織更多的高?？蒲腥藛T立項建立專業(yè)課題,融合科研人員和設(shè)計人員各自的優(yōu)勢,編寫一本前瞻性強、實用性強和創(chuàng)新性強的《鐵路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》。

5 結(jié)論

與《公路橋梁抗震設(shè)計細則》相比,《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》具有很強的實用性,但在基于橋梁抗震性能設(shè)計的理念、有限元計算與分析方法、橋梁減隔震措施和結(jié)構(gòu)可靠度與極限狀態(tài)設(shè)計方法等方面還有一定的差距。

為了吸收最新的國內(nèi)外橋梁抗震研究成果和適應(yīng)我國鐵路事業(yè)的發(fā)展,在未來《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的修訂中,應(yīng)當(dāng)發(fā)揮高校和科研單位的作用,編寫一本融合針對性、實用性和前瞻性為一體的《鐵路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》。

[1]陳永祁,耿瑞琦,馬良喆.橋梁用液體粘滯阻尼器的減振設(shè)計和類型選擇[J].土木工程學(xué)報,2007(7).

[2]錢冬生.談?wù)勚袊蔫F路橋設(shè)計規(guī)范[J].橋梁建設(shè),2009(2).

[3]天津大學(xué),同濟大學(xué),東南大學(xué).混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[4]中華人民共和國建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.