張 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

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

2008年 5月的汶川地震造成了重大的人員物質損失,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《公路橋梁抗震設計細則》產生了巨大影響,這本規(guī)范吸收了橋梁抗震領域世界范圍內的最新成果,拓展和細化了橋梁減震抗震的設計理念和措施。

圖1 百花大橋倒塌俯視圖

與《公路橋梁抗震設計細則》相比,《鐵路工程抗震設計規(guī)范》在有關橋梁抗震設計方面的內容具有一定的實用性,但在設計理念、設計方法、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《公路橋梁抗震設計細則》的基礎之上,分析了《鐵路工程抗震設計規(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《鐵路工程抗震設計規(guī)范》關于橋梁部分)

2 鐵路橋梁抗震規(guī)范的優(yōu)點

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

(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;結構處于彈性工作狀態(tài);

(2)性能要求Ⅱ,地震后橋梁可能損壞,經修補,短期內能恢復其正常使用功能;結構整體處于非彈性工作階段;

(3)性能要求Ⅲ:地震后橋梁可能產生較大破壞,但不出現(xiàn)整體倒塌,經搶修后可限速通車;結構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計院(以下簡稱鐵一院),其內容充分結合了鐵一院建院五十多年來的工程實踐和積累的資料,來源于勘察設計實踐又反過來指導勘察設計實踐,發(fā)揮了勘察設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

《鐵路工程抗震設計規(guī)范》自頒布以來,因其實用性較高,在鐵路橋梁設計中得到廣泛應用。但與《公路橋梁抗震設計細則》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計方面:《鐵路工程抗震設計規(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術界稱為基于性能的橋梁抗震設計理念。在《公路橋梁抗震設計細則》中,橋梁抗震設防分為 A、B、C和 D四種類別,分別于對應 4種情形,見表1。比如 A類對應于單跨跨徑超過 150m的特大橋,D類對應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”中提到的設計方法以反應譜理論為基礎,以手算為計算分析手段。這種方法適用于跨徑小,結構形式簡單的橋梁。近年來,橋梁的跨度越來越大,結構形式越來越復雜,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計要求,只能作為一種估算方法。隨著計算機技術和有限元理論的發(fā)展,有限元軟件逐漸應用于鐵路橋梁抗震設計中。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計,除了能夠按照反應譜理論計算橋梁的抗震響應外,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分析等。鐵路抗震規(guī)范中有關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用條件、建模與分析原則、結構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,另一方面會產生更大的地震響應,地震響應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,橋梁減隔震的設計理念逐漸推廣,目前在工程界已經應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,從而根據實際情況選擇最優(yōu)化的減隔震系統(tǒng),進而降低地震對結構的破壞和工程造價。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《鐵路工程抗震設計規(guī)范》中,還沒有橋梁減隔震設計方面的內容。而《公路橋梁抗震設計細則》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,為橋梁減隔震設計提供了依據。

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

容許應力法是早期結構設計理論不成熟時采用的設計方法,近年來國內外設計理論有了很大發(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構完成其預定功能的概率[3～4],沒有絕對安全的結構,因此可靠度也就不能用一個絕對的、不變的標準來衡量。在一定結構可靠度的基礎上,將結構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構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構裂縫是否過大導致鋼筋銹蝕嚴重而影響結構正常使用。對于不同的極限狀態(tài),在分析實測數據的基礎上,對應不同的荷載,在其標準值的基礎上乘以折減系數。這樣就將容許應力法中的單一安全系數細化為不同狀態(tài)下對應不同荷載的“安全系數”,提高了工程設計的安全性和經濟性。

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,但是在設計理念、分析方法、抗震措施和設計方法等方面還有很大的差距。為了吸收最新的國內外橋梁抗震研究成果和適應我國鐵路事業(yè)的發(fā)展,提出以下建議。

(1)編寫針對鐵路橋梁抗震設計的《鐵路橋梁抗震設計規(guī)范》。目前鐵路橋梁設計所依據的《鐵路工程抗震規(guī)范》,除了橋梁抗震設計的條文之外,還涉及線路、路基和隧道等結構,內容龐雜。就篇幅而言,該規(guī)范中有關橋梁抗震設計的論述僅有一章,占總篇幅的 36.8%。多次震后調查表明,橋梁在地震中的破壞幾率和程度遠大于其他結構,并且橋梁抗震的理論、方法、手段和措施與其他結構相差較大,因此很有必要編寫一本類似于《公路橋梁抗震設計細則》那樣針對性強的《鐵路橋梁抗震設計規(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。現(xiàn)有《鐵路工程抗震設計規(guī)范》的主編單位為鐵一院,參編人員主要是來自設計院的同志。這樣的人員構成有利于吸收設計一線的工程經驗,所編寫的規(guī)范具有很強的實用性,便于為廣大設計人員掌握。但另一方面,設計院的同志主要從事設計工作,限于工作內容,深層次的理論研究不多,無法及時將橋梁抗震領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計為例,目前此方面的研究已較為成熟,在國內外也已應用于許多實際工程之中,然而在《鐵路工程抗震設計規(guī)范》中卻未提及。因此需要鐵道部或者國家相關部門組織更多的高?？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《鐵路橋梁抗震設計規(guī)范》。

5 結論

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

為了吸收最新的國內外橋梁抗震研究成果和適應我國鐵路事業(yè)的發(fā)展,在未來《鐵路工程抗震設計規(guī)范》的修訂中,應當發(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計和類型選擇[J].土木工程學報,2007(7).

[2]錢冬生.談談中國的鐵路橋設計規(guī)范[J].橋梁建設,2009(2).

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

[4]中華人民共和國建設部.混凝土結構設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.