桥梁的延性抗震设计理念

桥梁的延性抗震设计理念桥梁的抗震设计人类要遭受地震、干旱、洪涝、台风、冰雹、暴雪、沙尘暴等自然灾害，需要认识它们，预防它们。之前有幸设计过西北地区铁路抗震及华北地区城市桥梁抗震，均采用延性设计方法，提到桥梁的抗震设计，得先从以下几个关于地震的概念说起。地震震级衡量一次地震大小的等级，定义为离震中100km处用Wood-Anderson式标准地震仪所记录的最大水平地动位移的常用对数值，震级一般分为9级，8级及以上称为巨大地震。地震烈度衡量地震破坏作用大小的一个指标，标明某一地区地面和各类建筑物遭受某一次地震影响的强弱程度，烈度分为12度，一次具体的地震，只有一个震级，而不同的地区有不同的烈度，一般离震中越近，烈度越高。汶川地震震级后期修正为8级，但是距离震中最近的汶川县映秀镇和北川县县城为两个中心呈长条状区域烈度为11度，地震损害影响最大。青川县烈度为10度，西南端至四川省宝兴县与芦山县，东北端达到陕西省略阳县和宁强县区域烈度为8度。《中国地震动参数区划图》已经将中国每个地区今后一个时期内在一般场地条件下可能遭遇到的最大地震烈度区划，是规范中抗震设防烈度的选取依据。中国主要地震分布我国处于世界上全球环太平洋地震带和欧亚地震带之间，主要分布在1）东南部台湾和福建广东沿海2）华北太行山沿海和京津塘地区3）青藏高原和四川、云南西部4）西北新疆、甘肃和宁夏看看你得家乡是否在潜在震区，人类在自然灾害面前有时显得是无奈无助桥梁主要震害1）上部结构破坏上部结构遭受直接震害被破坏的情形较少，往往是由于其它部位毁坏而导致上部结构破坏，主要防止落梁或者伸缩缝处撞梁破坏，所以抗震规范中基本都是下构（桥墩（盖梁）、承台、基础的抗震验算规定要求），2）支承连接部位震害桥梁支承连接部位震害极为常见，支承破坏后引起传力方式改变，从而进一步加大震害3）下部结构和基础震害下部结构和基础严重破坏是引起桥梁倒塌的主要原因，下部结构与基础承受较大的水平地震力，瞬时反复振动在相对薄弱的截面产生破坏。桥梁震害救灾启示地震作为一种自然灾害，地震发生时造成大量的人员伤亡、大量地面构筑物和各种设施破坏与倒塌，地震救援的黄金时间是发生地震后的72个小时之内，作为救援生命线工程的铁路桥梁、公路桥梁、城市高架承担着绝大部分救援物资、救援设备等运输，所以地震后桥梁工程的损坏程度、抢修难易程度极大的影响着救援工作的顺利开展及震后的次生灾害的大小（此生灾害因交通及其它设备的毁坏而造成的间接经济损失十分巨大），直接决定着地震的人员损伤数量与财产损失总和。国际上抗震设防目标建筑物在使用寿命期间，对于不同频度和强度的地震，建筑物应具有不同的抵抗能力。总体归纳起来为三水平设防目标：地震水平1：遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响，桥梁不坏。地震水平2：遭受到相当于本地区抗震设防烈度的地震影响，桥梁发生有限损坏，及时修理就可马上使用。地震水平3：遭受到高于本地区抗震设防烈度的预估旱遇地震影响，桥梁严重破坏，但不倒塌，仍可在加固后恢复交通。即所谓的“小震不坏、中震可修、大震不倒”三设防理念要求。三设防目标与铁路抗震规范中多遇地震检算桥墩与基础、设计地震检算支座、旱遇地震检算桥墩与基础一致。公路与城市桥梁抗震规范中E1地震相当于（多遇地震）小震，E2地震相当（旱遇地震）大震。不同桥梁抗震规范均按照桥梁的孔跨、桥梁复杂程度、重要性以及道路的性质对桥梁进行抗震设防分类，按规范对应选取就行。桥梁抗震的两个不同策略1、刚性抗震策略把结构尽量做强，来抵抗地震力，金门大桥刚开始设计时只假设地震设计力为5％的重力的水平力，远远不够啊，不过这是人类前进需要付出的代价，这是1975年前的通用策略。2、柔性的抗震策略把结构尽量做的柔软，来适应地震的波动。如何区适应地表的变形，基本对策可采用隔震、延性、消能。隔震：使地震的波动尽量不传到结构。延性：使结构可以承受地震的变形，本文主要阐述一下延性设计的方法消能：消耗地震输入的能量，减低结构的反应。摩擦摆减隔震支座液体粘滞阻尼器桥梁抗震设计方法演变1、静力法W为桥梁结构总重量，K为地面运动加速度峰值与重力加速度g的比值。是由日本大房森吉在1899年提出，将地震力视为静力作用在结构上，简洁明了，但是忽略了地震作为一门结构动力学，将结构的动力反应特性忽略了，但在刚性的桥台与挡土墙抗震设计中仍然使用。2、反应谱法反应谱法可以认为是静力法的一种演化，计入地震后结构动力反应与结构固有特性的影响，巧妙的将动力问题转化为静力问题为动力放大系数。铁路规范动力放大系数公路抗震规范与城市桥梁抗震规范将放大系数与水平地震系数与加速度相乘，以水平加速度反应谱作为纵坐标，实质与铁路抗震规范放大系数反应谱一致。反应谱法也存在明显的缺陷，无法反应地震动持时和非线性影响，但是计算简便易行，可得出最大地震值，相信在未来的一段时间仍将得到广泛应用，特大桥梁的初设阶段都可采用反应谱法。3、动态时程分析法动态时程分析发提供对结构地震反应最精确的计算，还可以同时进行结构在地震动作用下进入塑性后的需求与能力比较，但需耗费大量的计算时间与输入大量的计算数据，专业化要求较高，不大利于工程师结构设计，所以对于大量常规桥梁结构，一般不采用时程分析法，只有特别重要桥梁或者大跨度桥梁才使用。4、非线性静力pushover分析－倒塌模态分析方法提供一个评估地震反应尤其是非线性地震反应的方法，追踪结构从屈服直到极限状态的整个非弹性变形过程，得到基底剪力与位移之间的能力曲线，通过振型反应谱计算力效应和位移效应即需求分析，比较接近于延性抗震设计中的总体要求“能力大于需求”的理念了。延性抗震设计说起延性，这个概念可能对于很多桥梁设计者来说有些模糊，先从其它几个概念说起。材料抵抗外力不断裂的能力叫强度，强度越高抗力越大；材料在外力作用下到断裂的整个过程中会发生变形，先发生弹性变形后发生塑性变形，弹性变形就是去掉外力后，还能恢复到原来形态，塑性变形就是去掉外力后，不能恢复到原来状态；塑性变形阶段消耗的能就是塑性。塑性好，延展性也好，表达的是一个意思，表示材料塑性变形能力的，但是单位不同。材料从抵抗外力到断裂过程中消耗掉的能（或叫做功）就是韧性，包括了弹性变形阶段和塑性变形阶段的共同消耗的能，韧性越好从外力作用到断裂过程消耗的能量越多。从力-位移曲线上说，纵坐标和横坐标都大的情况下，韧性最好，纵坐标要想增大就是要强度高，横坐标增大就是塑性好，因此，可以说如果一个材料的强度和塑性都好，那么它的韧性肯定非常好。从材料微结构上来讲，同时增加材料的强度和塑性是一个矛盾体，要想提高强度，希望原子间的结合力越大越好，但是要想增加塑性反而不希望原子力太大，因此，如何同时提高材料的强度和韧性是材料界始终面临的最大挑战。延性定义：材料或者构件在初始强度没有明显退化情况下的非弹性变形能力，包含两个方面1）承受较大的非弹性变形能力，同时强度没有明显下降（国际上一般以不低于85％控制）2）利用滞回特性吸收能量的能力。桥梁延性抗震设计中一般将桥墩作为延性构件设计，理由1、作为埋在地下的隐蔽工程（基础、桩基）震后难以修复、不易发现损害及较难检测，必须作为重点的能力保护构件来保护桩基的安全。2、地震对上部结构影响不大，主要防止落梁或者伸缩缝处撞梁破坏，因此需保证梁端与支座中心点的位移足够（不落梁）、梁缝宽度足够（不撞梁过分严重破坏）3、对于装配式桥梁，盖梁也必须作为能力保护构件加以保护，防止盖梁破坏而造成落梁。4、只能委屈桥墩，将其设为延性构件，因为桥墩在地面以上，比较容易发现及检测损伤程度，也便于现场抢修加固（只要不倒塌）保证在地震黄金时间内迅速修好恢复通车。允许桥墩指定部位在地震时成为塑性铰（类似于将一个刚接的节点变成一个铰接的节点，但此铰接的节点又不完全是铰接，还是具备一定能力的抗弯），正是由于此塑性铰的形成，才有了桥墩的延性，此塑性铰具备两个能力：1）吸收地震能量2）控制住旱遇地震下盖梁的地震作用以及向下传到基础的作用，以此来保护作为能力保护构件的盖梁与桩基。（其实支座与墩柱的抗剪也是作为能力保护构件进行保护）将第4点再引申阐述一下，这是抗震设计的核心思想。假如一次地震中(旱遇地震或者E2地震)给5＃墩的地震能量50000J,造成5＃墩墩底7000kN水平力与80000kNm弯矩，假如拟定的5＃桥墩尺寸及相应的配筋能够抵抗50000J地震能量或者7000kN水平地震力及其相应的80000kNm弯矩，但是此时5＃桥墩桩基盖梁不能承受，便可修改5＃桥墩的尺寸或者配筋将其作为延性构件设计。减少5＃桥墩竖向受力抗弯钢筋（人为减少，使桥墩塑性铰位置在没有达到旱遇地震或者E2地震对应的内力时已经屈服，屈服时的弯矩铁路规范中叫做屈服弯矩，公路规范中在此屈服弯矩基础上乘了一个1.2倍的放大系数叫做超强弯矩），使其只能承受相应30000J地震能量相应4200kN水平地震力与48000kNm弯矩，剩余的20000J能量转化为结构动能＋5＃墩塑性铰吸收，那么传至桩基的地震能量是桥墩屈服时的30000J能量。用与桥墩屈服时地震内力4200kN水平地震力与48000kNm弯矩相应的桩基、盖梁、桥墩抗剪、支座地震作用来检算这些能力保护构件便可。所以说作为延性构件的桥墩类似与电路中的保险丝，但又不完全像保险丝，是一个没有完全牺牲的保险丝，局部微小损害自己（塑性铰的大无畏精神），保护桩基、盖梁、桥墩抗剪及支座。塑性铰的转动能力跟延性影响很大，延性主要与轴压比、箍筋用量、箍筋形状、混凝土强度、保护层厚度、纵向钢筋率及截面形式相关。其中箍筋配筋率影响非常大，塑性铰区域本身就需要配置较密的箍筋，保证桥墩抗剪，所以抗震规范中抗震构造细节中明确要求。本身作为延性构件的桥墩的设计思想也是强剪弱弯要求。桥墩指定部位形成塑性铰时，需要配置合适的受力钢筋以保证桥墩在指定的塑性铰位置能够屈服（公路规范或者城市桥梁规范的屈服弯矩按截面实配钢筋，采用材料强度标准值，（恒载静＋地震动）轴力作用下计算出的截面顺桥向和横桥向抗弯承载力；铁路规范以最外层钢筋应力达到屈服强度对应的弯矩，同时可通过M－φ），一般来说钢筋配置的越少，那就越容易屈服，但也不能少到一定程度（像人类社会一样也是要受到约束的），起码保证配置的钢筋要满足正常使用状态下及E1或者多遇地震的要求，同时要保证延性设计中“能力大于需求”。总的来说，屈服弯矩越小，地震需求越大。公路及城市规范中通过转角或者位移控制E2需求小于能力，铁路规范中可以转化为求相应弯矩使非线性位移延性比小于4.8，铁路中位移延性比控制相对来说还是严格一些，毕竟铁路修复较公路修复困难。那为何不将能力保护构件设计成足够强到可以抵抗旱遇或者E2地震，也可以，但造价大幅度提升，为了抵抗2450年一遇的旱遇地震，将所有设计基准期100年的桥梁统一设计成旱遇地震下硬抗的结构，恐怕业主也是不开心的。必须要指出的是，延性抗震在经济上的优势是以一定程度的损坏为代价，这也是一个缺陷。也许那些超大跨径或在国民经济军事战略中发挥着关键作用的桥梁会采用弹性抗震设计。钢筋混凝土构件中两个重要的关系图1、以受弯构件来说明钢筋混凝土破坏弯矩挠度图阶段1：荷载较小，混凝土没有开裂，弯矩与挠度基本直线关系阶段2：达到Mcr时，出线第一条裂缝，裂缝出线梁的挠度与截面曲率都突然增大，受拉区主要由钢筋承受，之后裂缝越来越宽，当钢筋应力屈服后，标明进入第二阶段末，此阶段混凝土已有塑性变形，但不充分。阶段3：钢筋屈服后，保持为常值，中性轴进一步上移，受压区减小，弯矩增大到Mu时，边缘混凝土达到极限压应变时，截面开始破坏。超筋梁与少筋梁均属于脆性破坏，超筋梁受压区高度很高，钢筋没达到屈服时受压区混凝土没有征兆下压溃破坏；少筋梁钢筋过少，混凝土一裂就坏的。适筋梁破坏时钢筋先屈服，钢筋经历较大塑性变形后混凝土再压溃破坏，属于有征兆的延性破坏。桥墩作为压弯构件，为了增大延性，保证强剪弱弯的抗震思想，通常将桥墩配筋成大偏心受力构件，并在塑性铰区域配足箍筋。2、混凝土截面破坏M－φ曲线图曲率延性系数与位移延性系数M－φ曲线图是公路抗震设计规范中必须运用到的基本数据，个