2008版_公路桥梁抗震设计细则_简介

2008版_公路桥梁抗震设计细则_简介
公路交通技术2009年12月第6期Technol ogy of H igh way and Trans port Dec .2009 No .6
收稿日期:2009-05-13
作者简介:唐光武(1963-),男,湖南省邵东县人,硕士,研究员.
2008版《公路桥梁抗震设计细则》简介
唐光武,郑罡
(1.桥梁结构动力学国家重点实验室,重庆400067;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆400067)
摘要:简要介绍2008版JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》的总体情况和要点,重点对适用范围、设防目标和设防标准、设计和分析方法、抗震措施等内容进行论述。

关键词:公路桥梁;抗震设计;细则
文章编号:1009-6477(2009)06-0077-05 中图分类号:U442 文献标识码:A
P ro fil e o f “D e ta il ed R u l e s fo r A n ti 2S e ism i c D e s i gn o f
H i ghw ay B ri dge s ”Ed iti o n 2008
TAN G Guangw u 1
,ZHEN G Gang
2
Abstract:This paper briefly intr oduces the general conditi ons and essentials of Editi on 2008JTG/T B022*******“Detailed Rules for Anti 2Seis m ic Desi gn of H igh way B ridges ”,e mphasizing on the expatiati on of app licable range,targets and standards in design and p r otecting,design and analysis methods,and anti 2seis m ic measures,etc .
Key words:highway bridges;anti 2seis m ic design;detailed rules
2008年8月发布、10月1日起实施的公路工程行业推荐性标准JTG/T B02-01—2008《公路桥梁
抗震设计细则》[1]
,是我国第1部专门的公路桥梁抗震设计标准。

该标准实施后,原JTJ 004—89《公
路工程抗震设计规范》[2]
中相应部分被同时废止。

本文对该细则的编写背景、总体情况和技术要点作简要介绍,对适用范围、设防目标和设防标准、设计和分析方法、抗震措施等内容进行重点论述。

1 编写背景及总体情况改革开放后,我国公路交通建设取得了突飞猛进的发展,桥梁建设无论从数量上还是规模上都取得了巨大进展,与此不适应的是,我国公路桥梁抗震设计的技术规范显得较为落后,不能适应和满足我国大规模公路桥梁建设的需要。

细则发布实施以前,我国公路桥梁抗震设计依据的技术规范,只是原
JT J 004—89《公路工程抗震设计规范》(简称89《规
范》)的一个章节,存在适用范围偏小、设计方法严重落后的问题:该规范只适用于墩高不超过30m 的混凝土梁桥、圬工或混凝土拱桥的抗震设计;设计方法采用单一的基于强度的抗震设计方法。

而1971年美国圣?费南多地震以后发展起来的先进的延性抗震设计方法、能力保护设计原则和减隔震设计方
法等在规范中没有得到任何反映,与国外先进的桥
梁抗震设计规范相比,显得非常落后。

因此有必要修订原JT J 004—89《公路工程抗震设计规范》。

同时,由于桥梁抗震的特别重要性,参照先进国家的做法,国家交通部决定对公路桥梁抗震设计部分单独修订,编写独立的《公路桥梁抗震设计细则》,编写工作于2003年正式启动。

在编写过程中,编写组充分考虑了和原89《规范》的延续性,能够继续采用的都尽量保留,同时充分考虑了先进性和实用性,结合我国具体情况,尽可能吸收国内外相关的成熟研究成果,弥补89《规范》的不足。

为此,编写组开展了相关的专题研究工作,吸取了国内有关科研、院校、
设计等单位的研究成果和实际工程经验;参考、借鉴了国内外先进的抗震类
标准规范[3-6]。

2005年10月完成征求意见稿后,对全国交通、铁路、建设和地震部门的有关单位和个人广泛征求意见。

根据反馈意见和建议,经反复讨论、修改,于2008年7月完成编写任务。

修订后的《公路桥梁抗震设计细则》
(简称《细则》
)共有11章4个附录。

修订的主要内容包括:1)扩大了适用范围,增加了非规则桥梁的抗震设计内容;对斜拉桥、悬索桥、单跨跨径超过150m 的特大跨径梁桥和拱桥,给出了抗震设计原则和有
关规定;增加了减隔震桥梁的设计原则和有关规定。

2)修订了相应的设防标准和设防目标,采用了2水平设防、2阶段设计的抗震设计思想,由单一的强度抗震设计修改为强度和变形双重指标控制的抗震设计。

3)补充、细化了场地和地基部分的有关规定。

4)修订了地震作用部分,修订了水平设计加速度反应谱,反应谱周期由5s增加到10s。

增加了场地系数、阻尼调整系数、竖向设计加速度反应谱等内容;增加了地震作用分量组合、设计地震动时程等有关规定,取消了综合影响系数;补充修订了地震土压力计算公式。

5)增加了桥梁延性抗震设计和能力保护原则的有关规定,以及延性构造细节设计的有关规定。

6)增加了抗震分析建模原则和抗震分析方法等有关规定。

7)修订了抗震措施的有关规定。

2 适用范围及抗震设防分类
《细则》主要适用于单跨跨径不超过150m的混凝土梁桥、圬工或混凝土拱桥。

斜拉桥、悬索桥、单跨跨径超过150m的特大跨径梁桥和拱桥,可参照《细则》给出的抗震设计原则进行设计。

可以看出,与89《规范》相比,《细则》扩大了适用范围,同时取消了墩高限制。

《细则》根据公路桥梁的重要性和修复(抢修)的难易程度,将桥梁
抗震设防分为A类、B类、C类和D类4个抗震设防类别,各抗震设防类别桥梁的抗震设防目标应符合表1的要求。

由于《细则》采用2水平设防、2阶段设计的抗震设计方法,其抗震设防的性能目标也按2个设防水准分别给出。

和89《规范》相比,《细则》提出了明确的设防性能目标,而89《规范》没有给出明确的设防性能目标。

一般情况下,桥梁抗震设防分类应根据各桥梁抗震设防类别的适用范围按表2的规定确定,但对抗震救灾以及在经济、国防上具有重要意义的桥梁或破坏后修复(抢修)困难的桥梁,可按国家批准权限,报请批准后,提高设防类别。

《细则》采用的设防标准基本维持在与89《规范》相当的水平。

但《细则》在抗震设计理念和方法上有大的改变,即:采用2水平的设防标准,进行2阶段抗震设计,同时特别强调了抗震概念设计和抗震构造措施设计。

对应E1地震作用和E2地震作用2个设防水准的设防标准,在操作上通过各设防类别桥梁的抗震设防措施等级的选取和重要性系数的2组取值(表3、表4)来体现。

对应表4的各重要性系数的设计地震动的重现期见表5。

由于《细则》的B类桥梁涵盖了89《规范》的A 类桥梁和B类桥梁,为和原规范保持基本一致的设防标准,《细则》B 类桥梁中属于原规范中A类的桥梁,其重要性系数取括号内的值。

《细则》A类桥梁的重要性系数的选取,参考了近年来国内外特大跨径桥梁抗震设计的设防标准的具体实施情况,确定的基本原则是“中震不坏,大震有限损伤”。

表1 各设防类别桥梁的抗震设防目标
桥梁抗震设防类别
设防目标
E1地震作用E2地震作用
A类一般不受损坏或不需修复可继续使用可发生局部轻微损伤,不需修复或经简单修复可
继续使用
B类一般不受损坏或不需修复可继续使用应保证不致倒塌或产生严重结构损伤,经临时加
固后可供维持应急交通使用
C类一般不受损坏或不需修复可继续使用应保证不致倒塌或产生严重结构损伤,经临时加
固后可供维持应急交通使用
D类一般不受损坏或不需修复可继续使用
表2 各桥梁抗震设防类别适用范围
桥梁抗震设防类别适用范围
A类单跨跨径超过150m的特大桥
B类单跨跨径不超过150m的高速公路、1级公路上的桥梁,单跨跨径不超过150m的2级公路上的特大桥、大桥
C类2级公路上的中桥、小桥,单跨跨径不超过150m的3、4级公路上的特大桥、大桥
D类3、4级公路上的中桥、小桥
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表3 各类桥梁抗震设防措施等级
桥梁分类
不同抗震设防烈度(度)下的抗震设防措施等级/级6
0.05g
7
0.1g0.15g
8
0.2g0.3g
9
0.4g
A类7899更高,专门研究
B类78899≥9
C类677889
D类677889 注:g为重力加速度。

表4 各类桥梁的抗震重要性系数
桥梁分类E1地震作用E2地震作用A类1.01.7
B类0.43(0.5)1.3(1.7)
C类0.341.0
D类0.23-
注:高速公路和1级公路上的大桥、特大桥,其抗震重要性系数取B 类括号内的值。

表5 各设防标准对应的设计地震动重现期桥梁分类E1地震E2地震A类475年约2000年
B类75(100年)约1000(2000年)
C类50年475年
D类25年-
注:高速公路和1级公路上的大桥、特大桥,其抗震重要性系数取B 类括号内的值。

需指出的是,《细则》通过引入2组重要性系数,有效地实现了和89《规范》的衔接,保证了与89规范的延续性和一致性。

3 设计、分析方法
抗震概念设计、抗震措施设计和计算分析设计是桥梁抗震设计的3项主要内容。

《细则》对抗震概念设计和抗震措施设计作了较详细的规定。

抗震概念设计重点对桥位选择、桥型选择和合理抗震结构体系选择作出相应规定。

对抗震措施设计内容,与89《规范》相比,《细则》给出了更高的要求,同时,参照日本规范,对防落梁措施提出了更严的要求,主要原因是考虑到抗震措施往往可以较低的代价达到良好的抗震效果。

抗震计算分析设计内容,对应《细则》采用的2水平设防标准,《细则》通过2阶段设计来实现:第1阶段针对E1地震作用进行弹性抗震设计,桥梁可达到和89《规范》基本相当的抗震设防水平;第2阶段针对E2地震作用进行延性抗震设计和相应的能力保护设计,确保桥梁结构具有足够的延性能力,并且只在预先设定的部位出现设定的可控的损伤,避免桥墩剪切破坏、结点或盖梁破坏等脆性破坏模式的出现。

通过第2阶段的延性抗震设计、相应的能力保护设计及延性构造细节设计,取消了物理意义不明确的综合影响系数,有效弥补了89《规范》的不足,实现了与国际先进抗震设计方法接轨,保证了规范的先进性
和实用性。

本《细则》在地震作用、抗震分析和强度与变形验算等3章对计算分析设计内容作了详细规定,以下进行简单介绍。

3.1 地震作用
在地震作用部分,《细则》通过专题研究,作了较大修订:一是将设计加速度反应谱的周期范围从89《规范》的5s扩大到现在的10s,且反应谱的形状也有所调整,同时引入场地修正系数和阻尼调整系数。

周期范围的扩大适应了长周期桥梁抗震分析的需要。

二是采用竖向/水平向谱比函数R来描述地震作用竖向分量与水平分量的相互关系。

对于基岩场地,函数R统一取为0.65;对于土层场地,函数取值如式(1)所示,其最大值为1.0。

这表明《细则》对地震作用的竖向分量总体上采用了较高的设计标准,以减小竖向分量带来的震害。

R=
1.0 T<0.1s
1.0-
2.5(T-0.1) 0.1s≤T≤0.3s
0.5 T≥0.3s
(1)
此外,《细则》将设计地震功率谱也作为地震作用的一种描述方法,以适应需求分析中新增的功率谱法的需要。

同时还对地震作用分量组合、空间效应、多个设计加速度时程之间的相关系数的要求、对地震安全性评价的要求等内容作了明确规定。

3.2 需求分析
在抗震分析部分,《细则》规定了地震作用下桥梁结构内力和变形的计算方法。

因此,《细则》在这里用到的“抗震分析”概念,在实质上是指“需求分析”。

在分析方法上,除89《规范》已采用的反应谱
97
2009年第6期唐光武,等:2008版《公路桥梁抗震设计细则》简介
方法外,《细则》增加了时程分析方法和功率谱方法的相关规定,同时,对89《规范》适用于单墩模型的简化分析方法也予以保留,作为
《细则》规则桥梁的分析手段之一。

《细则》在抗震分析部分参考和吸收了欧洲、美国等国家的相关规范,其中,主要参考了美国加州抗震设计准则(Caltrans S DC)的部分内容。

例如,《细则》对常规桥梁进行规则桥梁和非规则桥梁划分的依据主要来源于该准则。

结构的抗震能力和需求分析是目前工程结构抗震设计计算2个相互关联的核心内容。

随着延性抗震设计方法的采用,需求分析一般需要通过非线性时间历程分析完成,但非线性特性大大增加了需求分析的技术难度,工程师不易掌握和应用。

为此,世界各国都在设法降低需求分析的难度,研究和应用可能的简化方法。

《细则》编制组在广泛调研和比较相关国内外规范的基础上,选择加州抗震设计准则对规则桥梁的简化计算方法作为需求分析的主要方法。

按照《细则》的规定,我国大多数的公路桥梁可划分为规则桥梁。

设计人员可根据过去已经熟悉的反应谱方法,结合《细则》对桥墩刚度取值的规定,采用线弹性反应谱法方便地进行2个水平设防标准下的需求分析,其难度和89《规范》相当。

《细则》在抗震分析部分还结合我国公路桥梁的实际情况,采用了国内的部分研究成果和工程经验。

例如,在抗震分析方法中引入了功率谱法(这同时也是欧洲规范的做法);将板式橡胶支座作为规则桥梁的支座类型;规定了桥梁抗震计算模型的建模原则;为便于技术人员掌握和应用,绘制了常规桥梁总体设计流程图。

3.3 能力分析和验算
《细则》的强度与变形验算部分实质上对应着“能力分析”和“能力验算”。

《细则》在这一章规定了结构强度、变形能力和稳定性的能力计算和验算方法。

《细则》在强度与变形验算部分同样参考和借鉴了欧洲、美国等先进国家的相关规范,其中,主要参考了美国加州抗震设计准则(Caltrans S DC)。

《细则》规定的2阶段抗震设计中,第1阶段的能力分析与89《规范》基本一致,第2阶段则需进行延性位移能力、转角能力或曲率能力
分析。

无论是延性位移能力还是转角能力,其本质都是延性构件塑性铰的曲率延性能力。

《细则》采用轴力-弯矩-曲率(P-M-<)曲线(图1)作为曲率延性能力的计算依据,并规定通过面积(能量)
等效方法确定等效
图1 弯矩曲率关系与等效屈服曲率
屈服曲率,采用等效理想弹塑性曲线计算塑性曲率。

《细则》规定延性构件塑性铰的最大容许转角(塑性转角)θu的计算公式如下:
θ
u
=L p(<u-<="" p=""></u-
式中,<
u
和<
y
由图1确定;等效塑性铰长度L
p
按照《细则》给出的简化计算方法获得;延性安全系数K 取2.0。

式(2)采用了延性安全系数K,相当于只容许塑性铰的塑性曲率达到其塑性曲率能力的1/2。

这是《细则》与加州抗震设计准则的一个重要区别,其原因是为了有效控制延性构件的残余变形在可接受的范围内。

从减小结构的残余变形看,日本的抗震设计标准规定了延性构件残余变形的限值,但其计算比较复杂,采用延性安全系数K则相对简单。

4 结语
相对于原89《规范》,《细则》在适用范围、设防目标和设防标准、设计和分析方法等方面均作了大量修订和改进,特别是在设计理念和方法上有重大改进,采用了2水平设防、2阶段设计的抗震设计思想,引入了先进的延性抗震设计方法和能力保护设计原则,实现了和国际先进水平的接轨。

同时,通过引入2组重要性系数,实现了与89《规范》的有效
衔接,保证了先进性和延续性。

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(下转第87页)
08 公路交通技术 2009年
张拉设备,用深度游标卡尺测量分丝板上作记号的3个点位。

记录测量值,并减去张拉前3个对应的测量值,取3个差值的平均值作为铸体的内缩值,内缩值应小于6mm。

通过数据统计江津观音岩长江大桥成品斜拉索内缩值基本上都保持在3mm以内。

然后,根据测定的斜拉索弹性模量和荷载20%公称破断索力对应的测量索长计算无应力索长。

计算公式为:
L3S=L′-L2-2ΔL+2L0+ΔL f-ΔT+2×15mm
式中,15mm为锚具机加工退刀槽宽度;△L为平均弹性伸长(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5Pb对应的伸长量);△L
f
为20%公称破断索力对应的拉索垂度修正值;△T为温度修正值。

5 结语
江津观音岩长江大桥136根斜拉索已全部安装完毕投入使用,通过监控数据反映,桥梁的线形完全满足设计要求。

通过参与江津观音岩长江大桥的斜拉索制造,笔者有以下体会:
1)扭绞成型的节距要均匀。

斜拉索受力后伴随弹性伸长,扭绞角度会发生变化,索长发生的变化将由几何变化和弹性伸长2部分叠加而成,因此扭绞节距是否均匀,对索长控制有一定影响。

2)精下料长度测量时,必须使索体在挤出后充分冷却至室温再进行,要用高精度钢尺测量,拉力要恒定,每一读数尺段尽量短。

用全站仪进行复核测量时,应考虑温度的影响,测量数据需进行温度修正。

3)灌铸质量既是决定斜拉索使用后受力情况,还是影响斜拉索受力后长度的主要因素。

灌铸质量控制不好,斜拉索受力后其分丝板的内缩将超过允许范围,从而影响索长。

4)斜拉索出厂前必须进行超张拉检验,一是检验其受力后的索长变化,二是测量成品索长度。

测量之前先进行预张拉,消除其他应力和铸体内缩,张拉荷载应分级多点控制。

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