保障偶然荷载作用下工程的安全性是结构设计的关键环节。地震是最重要的偶然荷载,由于地震发生的难以预测性及其产生的非常严重的后果,需要对工程结构的地震设计进行科学考虑,建立严谨的设计方法和指标,确保桥梁结构设计的安全性与经济性。我国出现了多起地震灾害,地震对桥梁结构的损坏严重影响了抗震救灾的时机,使得次生灾害的损失持续扩大,因此确保地震作用下桥梁结构合理的安全性成为广大桥梁科研与设计人员广泛关注的问题。
我国桥梁抗震设计规范经历了不断的改进和修订,使其满足我国经济社会发展需求和工程结构建设需求,2008年我国正式实施了《公路桥梁抗震设计细则》,该细则是我国公路桥梁抗震设计的主要指导思想和方法,相对于原有的规范体系具有很大的创新,试图解决我国地域广阔的桥梁抗震设计要求[1]。然后,需要指出的是,公路桥梁抗震规范体系仍然很大程度借鉴了美国和日本的相关研究成果,但是由于我国地域非常广阔,各种区域的经济发展、地震特性、抗震设防要求等都不同,同时目前的抗震设计规范虽然改进了抗震设防标准,但仍然存在一些需要解决的问题。首先根据我国多起地震作用下桥梁垮塌破坏特点,总结我国桥梁结构与国外桥梁结构的差别,从而指出借鉴国外抗震设计规范需要注意的要点；其后,分析我国现行抗震设计规范存在的问题；最后提出改进建议和方法。促进我国公路桥梁抗震设计规范的完善和改进。
我国桥梁设计与国外的存在差别,这使得在地震作用下桥梁结构的震害特点存在不同,理清这些差异性对于针对我国桥梁设计特点提出科学合理的抗震设计方法和标准具有重要意义。国外方面,日本和美国也是地震多发国家,以下分别总结日本、美国和我国公路桥梁的设计特点和震害特点,建立比较联系。
日本桥梁的设计特点是广泛采用钢桥和钢组合桥梁结构,同时混凝土桥梁也占有较大比例。在1995年阪神地震前,日本桥梁广泛采用钢支座型式,而阪神地震过后大量的桥梁支座及桥墩出现严重破坏问题,表1是对钢支座和橡胶支座桥梁病害的调查统计[2]。可以发现钢支座桥梁的破坏普遍严重,而橡胶支座的破坏明显减少,这是因为钢支座耗能性质差、突发地震作用下变形小,而橡胶支座不仅具有较好的耗能特性还有很好的变形能力。地震中橡胶支座的破坏是因为滑动支座强度不足引起的损伤,导致地震中滑动机制丧失变成固定支座,导致桥墩承受上部结构很大的惯性力作用产生严重破坏。
表1 阪神地震桥梁支座破坏情况分析
破坏型式钢支座橡胶支座没有或轻微破坏250352支座变形、支撑垫石破损68119支座销钉剪断、锚栓拔出60313锚栓剪断、支撑垫石破坏98621
阪神地震后日本开始在桥梁建设中大量采用橡胶支座,并将原来的钢支座换成橡胶支座,同时设计防落梁装置,这使得在2011年日本东部大地震中,诸多桥梁没有呈现地震损伤,说明采用橡胶支座良好的抗震性能。
美国中小跨径桥梁采用框架式桥墩居多,如图1所示,同时也有整体式桥梁的使用,这些桥梁在地震作用下由于上部结构和桥墩没有很好的变形释放效应,使得上部结构较大的地震惯性力作用在下部结构上,产生严重的地震损害,例如1994年美国北岭地震就出现了诸多支座和桥墩破坏的案例[3],在地震作用下框架墩柱限制了上部结构变形,使得下部结构及支座处出现较大惯性力而发生破坏。
图1 美国典型框架式桥梁的特点
我国桥梁以中小跨径混凝土桥梁居多,大多采用简支或连续梁桥结构型式,上部结构采用多肋式截面例如T梁、空心板、小箱梁等,且板式橡胶支座应用最为普遍,在地震作用下往往容易损坏的是支座,支座发生破坏后致使上部结构与下部结构的传力发生切断,使得上部结构保持完好,而下部结构所受的惯性力也可控,结构整体安全性基本能够保证。
2008年汶川地震的震后调研显示：中小跨径桥梁的震害主要是主梁移位、支座与挡块破坏、桥墩局部混凝土开裂等,调研的2316座简支梁桥中发生桥墩病害的只有56个,占比5.6%,远低于主梁、支座和挡块的震害比例,也没有出现诸如日本阪神地震和美国北领地震的大面积桥墩破坏问题[4],这其中主要的原因就是我国采用多肋式桥梁配合板式橡胶支座,如图2所示,地震作用下能够先从底部桥墩传递到支座,由于板式橡胶支座的耗能特性和变形特性,使得上部与下部结构发生变形,这容易导致板式橡胶支座本身的位移和病害,导致挡块破损,但上下部结构连系被切断,地震能够不会传递到上部结构,而下部结构桥墩也主要表现为根部局部破损问题。少数桥梁在地震中存在落梁问题(例如百花大桥),通过调研发现是因为防落梁措施构造不足所致。2010年发生的玉树地震中桥梁墩柱和桩基基本没有震害问题,也主要是支座和挡块的损伤,这使得桥梁整体安全性得到了保证。
图2 板式橡胶支座的病害分析
我国公路桥梁设计特点及震害特点与国外存在显著差别,我国现行抗震设计规范又借鉴了诸多国外抗震设计的经验和方法,这就使得在实际应用中存在一定的出入,需要根据我国桥梁设计情况适当改进或调整现行抗震设计规范。主要问题体现在支座抗震设计和设防抗震标准与地震动参数等方面[5]。
根据国内外地震下桥梁震害调研显示,支座是震害最显著的桥梁构件,也是地震中桥梁行为的关键因素。支座是上部结构与下部结构的重要传力构件,地震中其力学行为具有显著影响。
由于美国桥梁大多采用框架式或者整体式型式,支座在桥梁规范中所涉及的内容不多,支座主要通过正常使用状态承载性能进行设计,并适当考虑支座的耗能能力和破坏模式。日本设计规范中充分重视支座的抗震性能,将支座分为A和B类,A类支座包含了搭接长度、位移限制和防落梁措施,B类支座则有搭接长度和防落梁措施的设计要求,防落梁系统设计为三道防线和三重设防标准：第一道由支座提供,限制支座位移和受力；第二道由位移限制构造提供,完全发挥其限位能力和最大剪切承载力；第三道由防落梁构造和搭接长度提供,限制上部结构的位移。由此可知支座是作为抗震设防的第一道防线。
我国《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-02-2008)规定了B类和C类的支座验算,需要满足支座厚度和抗滑稳定性要求,但是从汶川地震的震害结果分析来看,中震和大震情况下虽然会导致较大的梁体位移,但是支座和挡块的损伤过程是分级耗能的过程,支座与梁体的滑移显著地减少了下部结构的地震力。因此,在不发生落梁的情形中,板式橡胶支座的变形和抗滑稳定并不能作为桥梁抗震是否满足的标准,而需要根据桥梁的具体防落梁构造处理,合理确定支座剪切变形和损伤,以及防落梁构造措施的工作情况等,采用分级别设计方法确定各自的工作状态和效率。
我国目前采用地震动峰值加速度区划图和地震动反应谱特征周期区划图和调整表进行抗震设计,注意到其设防标准是50年超越率10%,对应于475年的重现期值,这对于我国大部分地区的抗震设计均能满足要求,但是由于目前基于性能的抗震设计理念不断深入,采用多水准多级别的设计方法越来越被接受,如果采用上述单一的50年10%超越率标准,则难以确定其他设防等级下的地震标准。相比较而言,美国则确定了重现期475年、975年和2475年的地震峰值加速度标准值,这对多级别多性能设计非常关键。
我国公路桥梁设计规范的设防抗震目标是小震不坏、中震可修、大震不倒,但这些是较为宏观和笼统的抗震设计目标,没有针对不同水准、不同结构部位、受力型式等建立对应的目标和标准,相关指标也没有体现结构受力的特点。此外,目前抗震设计仍然采用烈度作为评定标准,实际上该指标尚缺乏对地震特性的全面描述,还需要融合其他物理量建立全面的标准。
考虑到支座及防落梁装置对于桥梁结构地震震害的直接影响,充分考虑我国桥梁震害特点与国外的差别,针对支座抗震问题建立更加详细而准确的设防目标和方法,例如采用多级别多参数的设防设计方法,对于每一级别下支座变形、滑移、限位挡块构造、防落梁措施等进行具体的设计建议,明确各种目标体系下的设计方法,同时考虑不同支座类型的抗震设计方法。
其次,我国目前公路桥梁抗震设计中的“小震不坏、中震可修、大震不倒”思想仍然过于简单,可以考虑针对不同构件制定不同的设计目标,例如桥墩、基础、支座、盖梁等结构,使得设计人员更好地掌握构件的强度和延性指标的具体应用及差异性。
最后,目前桥梁抗震主要对中震水平进行设防设计,但是实际发生的地震可能远远超过这个水平,设计中应该对突发性大型地震有所考虑,且抗震设计及构造措施,应该根据桥梁的重要性和地震危险性判别,基于烈度的划分指标不够全面,有待完善和改进。
保障桥梁结构在偶然地震作用下的结构安全性是设计需要考虑的重要问题,我国公路桥梁抗震设计规范进行多年的改进已经基本满足目前的设计要求,但相关标准和方法仍然借鉴了日本和美国等规范的思想,考虑达到我国桥梁设计特点和震害特点与国外的差别,分析了目前我国公路桥梁抗震设计规范存在的相关问题,并对这些问题进行了剖析,提出了改进建议和方法,有利于提高我国桥梁抗震设计水平。
参考文献
[1] 王光裕,刘保东,李鹏飞. 新旧公路桥梁抗震设计规范的对比和分析[J]. 工程抗震與加固改造, 2010,32(3):68-72+98.
[2] Takahashi Y,Iemura H,Kaneyoshi A,et al. Seismic response of RC bridge with special reference to the effect of bearings[J]. Kyoto University, and Konoike Construction Co, 1998.
[3] Mitchell D,Bruneau M,Saatcioglu M,et al. Performance of bridges in the 1994 Northridge earthquake[J]. Canadian Journal of Civil Engineering,1995,22(2):415-427.
[4] 庄卫林,刘振宇,蒋劲松. 汶川大地震公路桥梁震害分析及对策[J].岩石力学与工程学报,2009,28(7):1377-1387.
[5] 王克海,李冲,李悦. 中国公路桥梁抗震设计规范中存在的问题及改进建议[J]. 建筑科学与工程学报,2013,30(2):95-103.
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