論我國鐵路橋梁抗震延性設計方法

鄒 巖

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

在新中國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重破壞，這給國家社會及人民的生命和財產造成了巨大的損失，我們在畏懼大自然的同時也對鐵路工程建設再一次進行了反思。每次地震都揭示出許多我們曾忽視的實際隱患，給鐵路建設敲響了警鐘。鐵路橋梁工程建設直接關系到人民生命和財產的安全，其設計及建設的安全及抗災能力，必須得到更高的重視，解決鐵路橋梁抗震問題將給我們帶來更大的貢獻。本文正是在這種背景之下探討了鐵路橋梁抗震的現狀及問題、鐵路橋梁抗震的延性需求及其影響因素、鐵路橋梁抗震計算方法等，并給出了建議使用的鐵路橋梁抗震延性設計方法。

1 鐵路橋梁抗震的設計規范及現狀

1)我國目前實施的鐵路橋梁抗震設計規范。目前，我國公路橋梁抗震設計細則應用的是2008年頒布的JTG/T B02-01-2008，但是橋梁細則只適用于主跨不超過150 m、墩高不超過40 m的橋梁，未對墩高超過40 m、結構進入彈塑性的橋梁進行規定，而明確說明了對于此類設計及建造等需要進行專門的研究。而我國鐵路工程抗震設計于公路橋梁抗震設計來說，其完善程度更低，目前我國鐵路工程抗震設計規范適用的是2006年的GB 50111-2006細則，而且本規則明確規定該細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應力混凝土等梁式橋。在本細則中雖然沒有明確指出對于鐵路橋梁設計及建設的墩高的適用范圍限制，但是對于特殊橋墩的設計，細則作出了明確的要求，即必須采用非線性時程方法對橋梁的下部結構進行分析。但我國鐵路抗震06細則只是針對普速鐵路才適用，而不適用于高速鐵路，而且在具體規定及適用方面與國外發達國家的規范相比仍存在著一定的差距。比如首先在與公路08細則對比中可以看到，我國鐵路橋梁抗震設計領域缺乏與公路領域相似的專門的有關鐵路橋梁抗震的設計規范。再者，在目前的規范中，還沒有涉及到鐵路橋梁減震的要求及方法等內容。第三，具體到抗震設計的內核，在談到基于性能的抗震設計這塊的標準則不是很深入，特別是關于加速度反應譜的最大值設置方面明顯偏小，而且對于抗震性能設計的要求周期短，且未引入非線性有限元的計算方式，而是偏重于手算，這些都需要不斷的發展和完善。

2)目前我國對鐵路橋梁的橋墩設計應用已經不能滿足實際需求。我國基礎設施系統龐大，且隨著信息化系統工程的建立，在數據整理、信息利用及設計分析等方面面臨著巨大的挑戰。地震的發生是不可避免的，但地震發生的時間、地點、震級等，及對于鐵路橋梁造成的影響及破壞力等都是不確定的，所以對于鐵路橋梁的抗震研究及抗震加固推進等都應當持續推進。

目前，鐵路橋梁的建設都把抗震的工作放在了對于橋梁的加固方面，但是從歐美、日本、新西蘭等國家總結橋梁震害的經驗教訓及世界各地發生的地震對鐵路橋梁造成的危害來看，僅僅對于因鋼筋混凝土橋墩破壞導致橋梁嚴重破壞甚至倒塌的問題進行研究，考慮鋼筋混凝土橋墩的強度是不夠的。還應當對混凝土橋墩的延性進行設計，從而提升鐵路橋梁的整體變形能力和延展性。

但是，目前我國對于橋梁高墩抗震的延性設計等相對較為滯后，比如對于橋梁高墩橫截面及中低橋墩橋梁的結構計算，混凝土箱形墩柱、鋼箱墩柱和鋼管混凝土組合墩柱設計及應用和對于橋梁墩柱擬靜力試驗、擬動力試驗、地震模擬振動臺試驗以及基于性能的抗震設計方法等仍不能滿足實際工程的需要。

2 鐵路橋梁抗震的延性需求及抗震設計計算方法

根據結構動力學原理，鐵路橋梁在受到地震的作用之下會發生振動，所以導致了橋梁在設計上應當對于其本身的延性需求進行分析計算，下面我們來對橋梁抗震的延性需求進行分析計算。

衡量結構延性水平的設計指標是曲率延性系數和位移延性系數兩種。曲率延性系數用于衡量延性構件臨界截面的延性水平，是鐵路橋梁結構或構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。

而位移延性系數是衡量延性結構整體或局部的延性水平的標準，是構件的極限位移與屈服位移之比，計算公式為:uΔ=Δu/Δy，其中，Δu為構件的極限位移;Δy為結構構件的屈服位移。首先我們應當明確延性結構的破壞準則，在各國的橋梁抗震規范中大多對延性結構破壞程度進行了規定。也就是說在橋梁變形破壞準則中，結構的最大位移的響應不超過破壞限制值，計算公式是Δmax≤［Δ］，其中，Δmax為橋梁結構的最大位移反應;［Δ］為結構的容許的最大位移的響應值。

在我國鐵路06抗震細則中，對罕遇地震作用下位移延性需求及其計算公式進行了規定，即μΔ=λmμm。其中，μm=Mmax/My;λm則是根據橋墩的場地類別、自振周期及水平地震基本加速度來計算的，對于1，2，3，4類場地之間的關系一般可以表示為:λm2=λm1+1/3(λm4－λm1)，λm3=λm1+2/3(λm4－λm1)。在歐洲的 Eurocode8規范中規定，在強震作用下墩頂的最大位移dE=ημddEe，在該公式中引入了阻尼修正系數(η)和位移延性系數(μd)及在強震作用下采用有效剛度計算出的墩頂位移(dEe)。事實上，橋梁的損壞是因為橋梁在地震的作用下結構變形的力度超過了橋梁自身變形結構設計的最大限度，從而導致了橋梁的倒塌，也就是說在地震的作用下橋梁結構的反復彈塑性變形的強度超過了結構的滯回延性允許值;從這個角度來講，地震作用下，在橋梁的設計中要保證橋梁結構的滯回延性能力超過在該地區發生地震時結構的反復彈塑性變形循環度，這樣在地震發生時，就能免于橋梁的坍塌，而這正是橋梁延性抗震設計的基本思想。

3 鐵路橋梁抗震延性需求的影響因素

事實上單單從鐵路橋梁的抗震延性需求方面來講，鐵路橋梁抗震延性需求受到結構體系本身像是屈服強度水平、阻尼比、結構滯回模型及屈服后剛度等鐵路橋梁自身性能的影響。但是由于地震動自身所呈現出的復雜性，我們主要結合場地條件及橋梁結構本身的物理參數等對延性需求的影響進行分析。

1)屈服強度水平對鐵路橋梁抗震延性需求的影響。經有關數據分析可知，屈服強度水平對延性需求的影響表現如下:對于同一自振周期來說，延性需求與屈服強度水平呈現出反方向變化趨勢;而在屈服強度水平越低時，則鐵路橋梁的延性需求越大、兩者的變化曲線則越陡。在屈服強度水平達到一定的程度時，延性需求可能小于1，此時延性需求較小、曲線變化比較緩慢。而且理論上來講，要想使得橋梁在地震動的作用下保持橋梁結構的完整性，能夠不發生破壞，屈服強度水平系數η必須不小于1。

2)阻尼系數對鐵路橋梁抗震延性需求的影響。阻尼系數則是上述我們提到的阻尼比，也是能夠對橋梁抗震延性需求產生影響的橋梁的結構物理參數。阻尼系數對橋梁結構反應影響的大小，決定了橋梁抗震延性需求的變化。其主要與橋梁結構發生的塑性變形程度有關，這兩者都會在鐵路橋梁結構的動力反應中消耗能量，影響到能量的平衡。而橋梁結構發生的塑性變形程度越大，阻尼耗能越小，因此地震動作用對橋梁結構的影響就越小。

通過對延性需求均值及變異系數下不同阻尼比的延性需求進行研究對比，發現阻尼比對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構阻尼比取值為0.05。

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

4 建議采用的鐵路橋梁延性抗震的設計方法

鐵路橋梁的延性抗震設計是指在概率理論意義上保證鐵路橋梁的結構具有延性超過預期地震動所能激起的最大非彈性變形，也即是所謂的延性需求。并能從構造上保證結構塑性鉸能發揮足夠的塑性變形能力，從而進行的橋梁設計能夠在預期的設計地震作用下，通過對鐵路橋梁的延性抗震設計建設的橋梁結構能夠具備足夠的延性能力。我國在抗震規范中對位移延性驗算公式進行了規定，在E2地震的作用之下，應當依照下列公式驗算橋墩潛在塑性鉸區域沿順橋向和橫橋向的塑性轉動能力:θp≤θu。并根據下列公式進行計算:θu=Lp(φu－φy)/K;Lp=0.08H=0.02fyds≥0.044fyds。Lp=2/3b。由于橋梁的下部結構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生毀壞。對于以上規定的驗算公式為我國橋梁位移延性驗算提供依據，有利于根據該規范中的驗算公式對鐵路橋梁的位移延性進行初步的計算。下面我們對我國現行鐵路橋梁抗震設計提出一些想法。對我國常規鐵路橋梁，我們建議采用位移延性驗算方法:uΔ≤uu。其中，uu為橋梁墩柱的允許位移延性;uΔ為在罕見的地震作用之下橋梁結構的位移延性需求，其計算公式為:uΔ=Δmax/Δy=λ(Mmax/My)。在地震作用下，針對實際的曲率沿墩高的分布曲線提出了等效塑性鉸長度的假定。根據我國的具體情況，本文建議應用公路抗震08細則的公式來對等效塑性鉸的長度Lp進行計算，取Lp=0.08L+0.022dsfy與 Lp=2/2b兩個計算公式的較小值。由于我國存在許多建設較早的鐵路橋梁系統，基礎設施較為落后，所以在遇到地震時，很多鐵路橋梁的穩固性及抗震性已經不能滿足現實的需求，所以應當借鑒美國及日本等發達地區的橋梁加固技術，對我國大多數建設較早、抗震能力較弱的鐵路橋梁進行全面的抗震加工處理。包括對于單柱墩橋梁及多柱墩橋梁的機構抗震加固上，防止橋梁上部結構落梁、處理可液化砂土及加強鋼筋混凝土橋墩的強度等，全面開展對鐵路橋梁的抗震加固工作，時刻提高警惕。

5 結語

我國是自然災害多發地區，特別是唐山大地震及汶川大地震的發生，給人們的生命財產造成了巨大的損失，至今回想起來仍是心有余悸。地震災害的突發性、破壞性及普遍性等特征要求我們必須建立地震災害應急決策機制及防震減震政策和技術研究。本文對鐵路橋梁抗震的設計規范及現狀、鐵路橋梁抗震的延性需求及其影響因素、鐵路橋梁抗震設計計算方法、提倡采納的鐵路橋梁抗震設計方法等幾個方面進行了討論。以期為我國修訂鐵路橋梁抗震設計規范提供參考意見和建議，并能夠時刻警醒人們，通過政策及技術改善鐵路橋梁抗震環境，從而更好地保護人們的生命財產安全。

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