論我國(guó)鐵路橋梁抗震延性設(shè)計(jì)方法

鄒 巖

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

在新中國(guó)成立后的幾次大地震中，作為城市生命線工程的道路橋梁等都遭到嚴(yán)重破壞，這給國(guó)家社會(huì)及人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，我們?cè)谖窇执笞匀坏耐瑫r(shí)也對(duì)鐵路工程建設(shè)再一次進(jìn)行了反思。每次地震都揭示出許多我們?cè)鲆暤膶?shí)際隱患，給鐵路建設(shè)敲響了警鐘。鐵路橋梁工程建設(shè)直接關(guān)系到人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，其設(shè)計(jì)及建設(shè)的安全及抗災(zāi)能力，必須得到更高的重視，解決鐵路橋梁抗震問(wèn)題將給我們帶來(lái)更大的貢獻(xiàn)。本文正是在這種背景之下探討了鐵路橋梁抗震的現(xiàn)狀及問(wèn)題、鐵路橋梁抗震的延性需求及其影響因素、鐵路橋梁抗震計(jì)算方法等，并給出了建議使用的鐵路橋梁抗震延性設(shè)計(jì)方法。

1 鐵路橋梁抗震的設(shè)計(jì)規(guī)范及現(xiàn)狀

1)我國(guó)目前實(shí)施的鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。目前，我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則應(yīng)用的是2008年頒布的JTG/T B02-01-2008，但是橋梁細(xì)則只適用于主跨不超過(guò)150 m、墩高不超過(guò)40 m的橋梁，未對(duì)墩高超過(guò)40 m、結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性的橋梁進(jìn)行規(guī)定，而明確說(shuō)明了對(duì)于此類設(shè)計(jì)及建造等需要進(jìn)行專門(mén)的研究。而我國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)于公路橋梁抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其完善程度更低，目前我國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范適用的是2006年的GB 50111-2006細(xì)則，而且本規(guī)則明確規(guī)定該細(xì)則僅適用于鐵路橋梁跨度小于150 m的鋼梁及跨度小于120 m的鐵路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土等梁式橋。在本細(xì)則中雖然沒(méi)有明確指出對(duì)于鐵路橋梁設(shè)計(jì)及建設(shè)的墩高的適用范圍限制，但是對(duì)于特殊橋墩的設(shè)計(jì)，細(xì)則作出了明確的要求，即必須采用非線性時(shí)程方法對(duì)橋梁的下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。但我國(guó)鐵路抗震06細(xì)則只是針對(duì)普速鐵路才適用，而不適用于高速鐵路，而且在具體規(guī)定及適用方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的規(guī)范相比仍存在著一定的差距。比如首先在與公路08細(xì)則對(duì)比中可以看到，我國(guó)鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域缺乏與公路領(lǐng)域相似的專門(mén)的有關(guān)鐵路橋梁抗震的設(shè)計(jì)規(guī)范。再者，在目前的規(guī)范中，還沒(méi)有涉及到鐵路橋梁減震的要求及方法等內(nèi)容。第三，具體到抗震設(shè)計(jì)的內(nèi)核，在談到基于性能的抗震設(shè)計(jì)這塊的標(biāo)準(zhǔn)則不是很深入，特別是關(guān)于加速度反應(yīng)譜的最大值設(shè)置方面明顯偏小，而且對(duì)于抗震性能設(shè)計(jì)的要求周期短，且未引入非線性有限元的計(jì)算方式，而是偏重于手算，這些都需要不斷的發(fā)展和完善。

2)目前我國(guó)對(duì)鐵路橋梁的橋墩設(shè)計(jì)應(yīng)用已經(jīng)不能滿足實(shí)際需求。我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)龐大，且隨著信息化系統(tǒng)工程的建立，在數(shù)據(jù)整理、信息利用及設(shè)計(jì)分析等方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。地震的發(fā)生是不可避免的，但地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、震級(jí)等，及對(duì)于鐵路橋梁造成的影響及破壞力等都是不確定的，所以對(duì)于鐵路橋梁的抗震研究及抗震加固推進(jìn)等都應(yīng)當(dāng)持續(xù)推進(jìn)。

目前，鐵路橋梁的建設(shè)都把抗震的工作放在了對(duì)于橋梁的加固方面，但是從歐美、日本、新西蘭等國(guó)家總結(jié)橋梁震害的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及世界各地發(fā)生的地震對(duì)鐵路橋梁造成的危害來(lái)看，僅僅對(duì)于因鋼筋混凝土橋墩破壞導(dǎo)致橋梁嚴(yán)重破壞甚至倒塌的問(wèn)題進(jìn)行研究，考慮鋼筋混凝土橋墩的強(qiáng)度是不夠的。還應(yīng)當(dāng)對(duì)混凝土橋墩的延性進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提升鐵路橋梁的整體變形能力和延展性。

但是，目前我國(guó)對(duì)于橋梁高墩抗震的延性設(shè)計(jì)等相對(duì)較為滯后，比如對(duì)于橋梁高墩橫截面及中低橋墩橋梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算，混凝土箱形墩柱、鋼箱墩柱和鋼管混凝土組合墩柱設(shè)計(jì)及應(yīng)用和對(duì)于橋梁墩柱擬靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)、地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法等仍不能滿足實(shí)際工程的需要。

2 鐵路橋梁抗震的延性需求及抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，鐵路橋梁在受到地震的作用之下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，所以導(dǎo)致了橋梁在設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)對(duì)于其本身的延性需求進(jìn)行分析計(jì)算，下面我們來(lái)對(duì)橋梁抗震的延性需求進(jìn)行分析計(jì)算。

衡量結(jié)構(gòu)延性水平的設(shè)計(jì)指標(biāo)是曲率延性系數(shù)和位移延性系數(shù)兩種。曲率延性系數(shù)用于衡量延性構(gòu)件臨界截面的延性水平，是鐵路橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受到地震作用的情況下屈服后截面的極限曲率與屈服曲率之比，計(jì)算公式為:uφ=φu/φy，其中，φu為截面的極限曲率;φy為截面的屈服曲率。

而位移延性系數(shù)是衡量延性結(jié)構(gòu)整體或局部的延性水平的標(biāo)準(zhǔn)，是構(gòu)件的極限位移與屈服位移之比，計(jì)算公式為:uΔ=Δu/Δy，其中，Δu為構(gòu)件的極限位移;Δy為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服位移。首先我們應(yīng)當(dāng)明確延性結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則，在各國(guó)的橋梁抗震規(guī)范中大多對(duì)延性結(jié)構(gòu)破壞程度進(jìn)行了規(guī)定。也就是說(shuō)在橋梁變形破壞準(zhǔn)則中，結(jié)構(gòu)的最大位移的響應(yīng)不超過(guò)破壞限制值，計(jì)算公式是Δmax≤［Δ］，其中，Δmax為橋梁結(jié)構(gòu)的最大位移反應(yīng);［Δ］為結(jié)構(gòu)的容許的最大位移的響應(yīng)值。

在我國(guó)鐵路06抗震細(xì)則中，對(duì)罕遇地震作用下位移延性需求及其計(jì)算公式進(jìn)行了規(guī)定，即μΔ=λmμm。其中，μm=Mmax/My;λm則是根據(jù)橋墩的場(chǎng)地類別、自振周期及水平地震基本加速度來(lái)計(jì)算的，對(duì)于1，2，3，4類場(chǎng)地之間的關(guān)系一般可以表示為:λm2=λm1+1/3(λm4－λm1)，λm3=λm1+2/3(λm4－λm1)。在歐洲的 Eurocode8規(guī)范中規(guī)定，在強(qiáng)震作用下墩頂?shù)淖畲笪灰芼E=ημddEe，在該公式中引入了阻尼修正系數(shù)(η)和位移延性系數(shù)(μd)及在強(qiáng)震作用下采用有效剛度計(jì)算出的墩頂位移(dEe)。事實(shí)上，橋梁的損壞是因?yàn)闃蛄涸诘卣鸬淖饔孟陆Y(jié)構(gòu)變形的力度超過(guò)了橋梁自身變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大限度，從而導(dǎo)致了橋梁的倒塌，也就是說(shuō)在地震的作用下橋梁結(jié)構(gòu)的反復(fù)彈塑性變形的強(qiáng)度超過(guò)了結(jié)構(gòu)的滯回延性允許值;從這個(gè)角度來(lái)講，地震作用下，在橋梁的設(shè)計(jì)中要保證橋梁結(jié)構(gòu)的滯回延性能力超過(guò)在該地區(qū)發(fā)生地震時(shí)結(jié)構(gòu)的反復(fù)彈塑性變形循環(huán)度，這樣在地震發(fā)生時(shí)，就能免于橋梁的坍塌，而這正是橋梁延性抗震設(shè)計(jì)的基本思想。

3 鐵路橋梁抗震延性需求的影響因素

事實(shí)上單單從鐵路橋梁的抗震延性需求方面來(lái)講，鐵路橋梁抗震延性需求受到結(jié)構(gòu)體系本身像是屈服強(qiáng)度水平、阻尼比、結(jié)構(gòu)滯回模型及屈服后剛度等鐵路橋梁自身性能的影響。但是由于地震動(dòng)自身所呈現(xiàn)出的復(fù)雜性，我們主要結(jié)合場(chǎng)地條件及橋梁結(jié)構(gòu)本身的物理參數(shù)等對(duì)延性需求的影響進(jìn)行分析。

1)屈服強(qiáng)度水平對(duì)鐵路橋梁抗震延性需求的影響。經(jīng)有關(guān)數(shù)據(jù)分析可知，屈服強(qiáng)度水平對(duì)延性需求的影響表現(xiàn)如下:對(duì)于同一自振周期來(lái)說(shuō)，延性需求與屈服強(qiáng)度水平呈現(xiàn)出反方向變化趨勢(shì);而在屈服強(qiáng)度水平越低時(shí)，則鐵路橋梁的延性需求越大、兩者的變化曲線則越陡。在屈服強(qiáng)度水平達(dá)到一定的程度時(shí)，延性需求可能小于1，此時(shí)延性需求較小、曲線變化比較緩慢。而且理論上來(lái)講，要想使得橋梁在地震動(dòng)的作用下保持橋梁結(jié)構(gòu)的完整性，能夠不發(fā)生破壞，屈服強(qiáng)度水平系數(shù)η必須不小于1。

2)阻尼系數(shù)對(duì)鐵路橋梁抗震延性需求的影響。阻尼系數(shù)則是上述我們提到的阻尼比，也是能夠?qū)蛄嚎拐鹧有孕枨螽a(chǎn)生影響的橋梁的結(jié)構(gòu)物理參數(shù)。阻尼系數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響的大小，決定了橋梁抗震延性需求的變化。其主要與橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生的塑性變形程度有關(guān)，這兩者都會(huì)在鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)中消耗能量，影響到能量的平衡。而橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生的塑性變形程度越大，阻尼耗能越小，因此地震動(dòng)作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響就越小。

通過(guò)對(duì)延性需求均值及變異系數(shù)下不同阻尼比的延性需求進(jìn)行研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)阻尼比對(duì)鐵路橋梁抗震的延性需求影響較小，因此一般情況下按照鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)阻尼比取值為0.05。

3)場(chǎng)地類別對(duì)鐵路橋梁抗震延性需求的影響。由于場(chǎng)地軟硬程度的不同，對(duì)地震的各種指標(biāo)和特性的影響也不同，因此就造成了同一種橋梁結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)地類別上的抗震延性需求也大不相同。通過(guò)固定屈服強(qiáng)度水平、滯回模型及屈服后的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)，對(duì)不同場(chǎng)地類型下的地震作用下的位移延性需求，對(duì)延性需求均值及變異系數(shù)曲線圖進(jìn)行記錄分析，從而得出各場(chǎng)地類型條件下相應(yīng)的延性需求曲線的變化趨勢(shì)大致相同。場(chǎng)地條件對(duì)鐵路橋梁抗震需求的影響與阻尼系數(shù)的影響類似，在同一自振周期下，延性需求隨著場(chǎng)地的土質(zhì)變軟而增大，而且由于橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段以后剛度的降低，其對(duì)應(yīng)的等效周期延長(zhǎng)，從而引起在中周期段變化幅度會(huì)更大。

4 建議采用的鐵路橋梁延性抗震的設(shè)計(jì)方法

鐵路橋梁的延性抗震設(shè)計(jì)是指在概率理論意義上保證鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)具有延性超過(guò)預(yù)期地震動(dòng)所能激起的最大非彈性變形，也即是所謂的延性需求。并能從構(gòu)造上保證結(jié)構(gòu)塑性鉸能發(fā)揮足夠的塑性變形能力，從而進(jìn)行的橋梁設(shè)計(jì)能夠在預(yù)期的設(shè)計(jì)地震作用下，通過(guò)對(duì)鐵路橋梁的延性抗震設(shè)計(jì)建設(shè)的橋梁結(jié)構(gòu)能夠具備足夠的延性能力。我國(guó)在抗震規(guī)范中對(duì)位移延性驗(yàn)算公式進(jìn)行了規(guī)定，在E2地震的作用之下，應(yīng)當(dāng)依照下列公式驗(yàn)算橋墩潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力:θp≤θu。并根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算:θu=Lp(φu－φy)/K;Lp=0.08H=0.02fyds≥0.044fyds。Lp=2/3b。由于橋梁的下部結(jié)構(gòu)主要承受水平地震作用，因此其常因承受較大的地震作用而發(fā)生毀壞。對(duì)于以上規(guī)定的驗(yàn)算公式為我國(guó)橋梁位移延性驗(yàn)算提供依據(jù)，有利于根據(jù)該規(guī)范中的驗(yàn)算公式對(duì)鐵路橋梁的位移延性進(jìn)行初步的計(jì)算。下面我們對(duì)我國(guó)現(xiàn)行鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)提出一些想法。對(duì)我國(guó)常規(guī)鐵路橋梁，我們建議采用位移延性驗(yàn)算方法:uΔ≤uu。其中，uu為橋梁墩柱的允許位移延性;uΔ為在罕見(jiàn)的地震作用之下橋梁結(jié)構(gòu)的位移延性需求，其計(jì)算公式為:uΔ=Δmax/Δy=λ(Mmax/My)。在地震作用下，針對(duì)實(shí)際的曲率沿墩高的分布曲線提出了等效塑性鉸長(zhǎng)度的假定。根據(jù)我國(guó)的具體情況，本文建議應(yīng)用公路抗震08細(xì)則的公式來(lái)對(duì)等效塑性鉸的長(zhǎng)度Lp進(jìn)行計(jì)算，取Lp=0.08L+0.022dsfy與 Lp=2/2b兩個(gè)計(jì)算公式的較小值。由于我國(guó)存在許多建設(shè)較早的鐵路橋梁系統(tǒng)，基礎(chǔ)設(shè)施較為落后，所以在遇到地震時(shí)，很多鐵路橋梁的穩(wěn)固性及抗震性已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)的需求，所以應(yīng)當(dāng)借鑒美國(guó)及日本等發(fā)達(dá)地區(qū)的橋梁加固技術(shù)，對(duì)我國(guó)大多數(shù)建設(shè)較早、抗震能力較弱的鐵路橋梁進(jìn)行全面的抗震加工處理。包括對(duì)于單柱墩橋梁及多柱墩橋梁的機(jī)構(gòu)抗震加固上，防止橋梁上部結(jié)構(gòu)落梁、處理可液化砂土及加強(qiáng)鋼筋混凝土橋墩的強(qiáng)度等，全面開(kāi)展對(duì)鐵路橋梁的抗震加固工作，時(shí)刻提高警惕。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是自然災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，特別是唐山大地震及汶川大地震的發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，至今回想起來(lái)仍是心有余悸。地震災(zāi)害的突發(fā)性、破壞性及普遍性等特征要求我們必須建立地震災(zāi)害應(yīng)急決策機(jī)制及防震減震政策和技術(shù)研究。本文對(duì)鐵路橋梁抗震的設(shè)計(jì)規(guī)范及現(xiàn)狀、鐵路橋梁抗震的延性需求及其影響因素、鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法、提倡采納的鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)方法等幾個(gè)方面進(jìn)行了討論。以期為我國(guó)修訂鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提供參考意見(jiàn)和建議，并能夠時(shí)刻警醒人們，通過(guò)政策及技術(shù)改善鐵路橋梁抗震環(huán)境，從而更好地保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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