桥梁抗震设计规范与建筑抗震设计规范的分析与比较 6页

维普资讯http://www.cqvip.com22卷4期世界地震工程Vo1．22，No．42006年l2月WORLDEARTHQUAKEENGINEERINGDec．，2006文章编号：1007-6069(2006)04．0127．06桥梁抗震设计规范与建筑抗震设计规范的分析与比较白亮梁兴文李向阳2(1．西安建筑科技大学土木-r程学院，陕西西安710055；2．西安长庆科技-r程有限责任公司，陕西西安710021)摘要：对我国现行《公路工程抗震设计规范》(JTJ004—89)与《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)进行了较为详细的对比。分别从抗震设计的基本思想、设计地震动参数、地震反应分析和计算方法、构造细节等方面对这两本规范进行了比较，并指出了今后我国各行业工程结构抗震设计规范宜逐步统一。关键词：抗震设计；桥梁；建筑结构；抗震规范中图分类号：P3l5文献标识码：AComparisonandanalysisofbridgesandbuildingsseismiccodesBAILiangLIANGXing-wenLIXiang．yang(1．SchoolofCivilEnsineefing，Xi’anUniversityofArch．＆Tech．，Xi’∞710055，China；2．XianChang-qingEngin~HngofScienceandTechnologyCo．Ltd．，Xi’an710021，China)Abstract：Inthispaper。theseismiccodesforbridgesarecomparedwiththeseismiccodesforbuildingsinChina．Fundamentalideasforseismicdesign，designparametersofgroundmotion，calculationmethodsofearthquakere·sponseandconstructiondetailsareoutlinedinthesetwodesignspecifications．Also．thispaperpointsoutthetrendofseismicdesigncodes’development．Keywords：seismicdesign；bridge；buildingstructure；seismicdesigncode我国是世界上多地震国家之一。1976年唐山地震给人民生命财产造成巨大的损失，在这之后我国建筑与桥梁抗震研究工作得到了迅速发展。在桥梁抗震方面，我国于20世纪80年代先后颁布了《公路工程抗震设计规范)(jTJ004—89)和《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111—87)。在建筑抗震方面，我国继GBJ11—89规范后又于2001年颁布了《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)引。本文对两类规范(JTJ004—89与GB50011—2001)的使用和研究现状进行了比较和探讨，认为两者应取长补短，逐步形成统一的抗震设计理论和方法。1抗震设计的基本思想结构抗震设计的基本思想和设计准则是制定规范的最重要之处，它决定了抗震设计要达到的目标、采用的设计地震动水平和地震反应的计算方法。这两本规范抗震设计的基本思想见表1。由表l可知，我国现行的《公路工程抗震设计规范》采用单一水准的抗震设防思想，仅进行基本烈度下收稿日期：2006一o6—2o；修订日期：2006—10—13作者简介：白亮(1981一)，男，陕西西安人，硕士研究生，主要从事结构抗震方面研究． 维普资讯http://www.cqvip.com世界地震工程22卷的抗震验算。在抗震设计时，只进行设计地震力作用下的强度验算，没有考虑桥梁结构的“变形能力”和“耗能能力”。这就导致钢筋混凝土墩柱在强烈地震作用下，往往因设计弯曲延性不足或塑性铰区设计抗剪强度不足而发生弯剪破坏或剪切破坏。因此，单一的强度设防原则是目前我国公路桥梁抗震设计中存在的主要问题。表1桥梁与建筑抗震设计的基本思想目前我国《建筑抗震设计规范》明确规定了三个水准的抗震设防目标，简称“小震不坏，中震可修，大震不倒”。这较《公路工程抗震设计规范》是一个较大的进步。同时，《建筑抗震设计规范》采用二阶段设计实现上述三水准的设防目标。第一阶段：对绝大多数结构进行多遇地震作用下的结构构件承载力验算和结构弹性变形验算，对各类结构按规范要求采取抗震措施；第二阶段：对一些规范规定的结构进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算。2设计地震动参数设计地震动参数是影响结构抗震设计全局的重要问题。我国现行《公路工程抗震设计规范》以中国地震烈度区划图(1977年)为依据确定设防标准，基本地震烈度采用中国地震烈度区划图上所标示的地震烈度。即5O年期限内，一般场地条件下可能遭遇超越概率为10％的地震烈度值。该规范适用的7、8和9度地区，相应的地震动最大加速度设计值分别取为0．1g．O．2g和0．4g(g为重力加速度)。另外根据路线等级和构造物的重要性、以及修复(抢修)的难易程度，采用重要性修正系数c对构造物的地震作用进行修正，重要性系数的取值如表2所示。应当指出的是，近几十年来的地震灾害表明，宏观的烈度含义已越来越不清晰，而且也不可能合理地描述不同地区可能遭受的地震作用。因此从2O世纪60年代起，各国抗震设计规范都从烈度区划向地震动参数区划过渡。表2重要性修正系数C．路线等级及构造物重要性修正系数c高速公路和一级公路上的抗震重点工程1I7高速公路和一级公路的一般工程、二级公路上的抗震重点工程、二、三级公路上桥梁的梁端支座1．3二级公路的一般工程、三级公路上的抗震重点工程、四级公路上桥梁的梁端支座1．O三级公路的一般工程、四级公路上的抗震重点工程O．6我国现行《建筑抗震设计规范》以《中国地震动参数区划图》为依据确定设防标准。该区划图分别以峰值加速度和反应谱特征周期为技术指标对国土按照可能遭受地震影响的危险程度进行划分。根据“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防目标，建筑物在使用期间对不同强度的地震作用应具有不同的抵抗能力。《建筑抗震设计规范》采用3个地震烈度水准来考虑：．多遇烈度地震：50年超越概率为63．2％，重现期为5O年；设防烈度地震(基本地震)：5O年超越概率为10％，重现期为475年；罕遇烈度地震：5O年超越概率为2％～3％，重现期约为2000年。因此，桥梁抗震设计规范应修订单一设防水准及单一抗震强度验算的设计原则，代之以建筑抗震设计规范提出的“小震不坏，中震可修，大震不倒”三级设防水准的抗震设计原则。即对桥梁结构按小震(常遇地 维普资讯http://www.cqvip.com4期白亮等：桥梁抗震设计规范与建筑抗震设计规范的分析与比较129震)作用进行强度设计，按大震(罕遇地震)作用进行延性设计，使桥梁结构即使在强烈地震作用下仍具有变形能力储备。3地震反应分析和计算方法自从1899年日本学者大森房吉首次提出用于抗震设计的静力方法以来。结构地震反应分析方法经历了从静力法到动力的反应谱法和动态时程分析法的演变过程。在上述这些方法中。反应谱法将动力问题静力化，使得复杂的结构地震反应分析方法变得简单易行，大大提高了结构的整体抗震水平，是目前大多数规范所采用的一种基本的分析手段。本文主要说明《建筑抗震设计规范》与《公路工程抗震设计规范》在应用反应谱法进行结构地震反应分析上的区别。3．1地震设计反应谱《公路工程抗震设计规范》采用的设计反应谱为一曲线，如图1所示，相应的水平地震系数值见表3。《建筑抗震设计规范》采用的设计反应谱为a—T曲线，如图2所示，相应的水平地震系数最大值及特征周期分别见表4和表5。表3水平地震系数图2Ot—曲线y-o．9+(1)田1=0．02+(0．05一)虿1(2)一+(3)表4水平地震影响系数最大值口一表5特征周期值(s)从上述可看出，《建筑抗震设计规范》与《公路工程抗震设计规范》所采用的设计反应谱有以下异同点：(1)反应谱的形状从反应谱坐标随周期的变化关系看，二者的走势是相同的。即随周期由小变大(或不变)至一个平台(最大值)，然后逐渐衰减至与最大可用周期的一个定值。这个一致性是由地震反应谱的定义和地震动的特 维普资讯http://www.cqvip.com世界地震工程22卷性决定的。(2)影响反应谱的因素一个场地记录到的地震动与多种因素有关。比如场地条件、震中距和震源深度、震级、震源机制和传播途径等诸多因素。桥梁抗震设计规范使用的反应谱曲线(如图1)是在l，050多条国内外地震加速度记录反应谱统计分析的基础上，针对四类不同场地条件给出的。这些曲线主要考虑场地条件的影响，其他影响因素则未予以考虑。《建筑抗震设计规范》所使用的反应谱曲线，不仅与场地类别有关，而且与设计地震分组有关。这样可以更好地反映场地条件、震中距和震源深度、震级、震源机制和传播路径等多种因素的影响。(3)地震设计谱的阻尼修正需要指出的是，阻尼比是影响反应谱的一个重要参数，规范反应谱曲线是取阻尼比为5％时给出的，当结构阻尼比与5％明显不同时，就应该进行修正。但《公路工程抗震设计规范》没有给出阻尼比不同时的修正公式，而《建筑抗震规范设计规范》则给出了阻尼比不等于5％时的修正公式。(4)反应谱曲线的最大适用周期对于建筑抗震设计规范，当>6．08时，就会超出反应谱的适用范围，此时所采用的地震影响系数需做专门研究。对于桥梁抗震设计规范，反应谱曲线的最大适用周期为5．0s。3．2地震作用的计算《公路工程抗震设计规范》对可以近似视为单自由度体系的规则桥梁，其地震作用的理论公式为：P—m-⋯g·=(4)式中：g为重力加速度；W为体系的总重量；为水平地震系数为动力放大系数。在实际应用于桥梁抗震设计时，上式应改为以下形式：P=CCzK~W(5)式中，c和c分别为桥梁重要性系数和综合影响系数。《建筑抗震设计规范》中，按照反应谱理论单质点体系所受到的最大地震作用，为：F=G(6)式中，为地震影响系数，如图2所示。对不能简化为单自由度体系的复杂桥梁与建筑结构，无法直接利用单振型反应谱分析方法，应采用振型分解反应谱法进行计算。对于建筑结构，特别是房屋层数较多时，计算过程十分冗繁。为了简化计算，建筑抗震设计规范规定在满足一定条件下，可采用近似计算方法，即底部剪力法。可见，应用反应谱法计算地震作用时，桥梁抗震设计规范采用基本地震烈度下的地震动参数，再通过综合影响系数c进行折减。建筑抗震设计规范直接采用多遇地震(小震)下的地震影响系数，二者本质上是一样的。同时，桥梁抗震设计规范采用一T曲线，建筑抗震设计规范采用—曲线，二者均是加速度反应谱仅仅是表达形式不同而已。它们都是从求解单自由度振子的振动方程出发，通过大量地震加速度记录输入绘制得到众多反应谱曲线的基础上，再经过平均化与光滑化之后，最后得到供设计使用的规范反应谱曲线。3．3非线性静力分析方法非线性静力分析方法，即Pushover法，早在2O世纪6o年代就已经提出，在近几年得到很大发展和应用。Pushover分析方法提供了一个评估地震反应，尤其是非线性地震反应的简单而有效的方法，该方法能够追踪结构从屈服直到极限状态的整个非弹性变形过程，最终得到一条Pushover曲线。该曲线是表示特征荷载与特征位移之问相互关系的曲线，也称能力曲线。对建筑结构分析，该曲线通常为基底剪力与屋面位移之间的关系曲线；对桥梁结构分析，通常为墩底剪力与上部结构质量中心处的位移之间的关系曲线。非线性静力Pushover分析方法，已在建筑抗震设计中得到应用。我国《建筑抗震设计规范》(GB5001l一2001)已将这种方法应用于建筑结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。目前，这种方法在桥梁抗震性 维普资讯http://www.cqvip.com4期白亮等：桥梁抗震设计规范与建筑抗震设计规范的分析与比较131能评估方面已有不少应用例子，但基本上还没有被应用于设计分析。4构件截面抗震承载力验算《公路工程抗震设计规范》对于钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构采用以下表达式：，Sd(yG2Q)-<7bRd(；警)(7)式中：y为荷载安全系数；y为地震荷载安全系数；yb为结构工作条件系数；y。为混凝土安全系数；为预应力钢筋或非预应力钢筋安全系数《建筑抗震设计规范》采用以下表达式：S旦(8)yRE式中，y肛为承载力抗震调整系数考虑到地震荷载是一种出现机率较少的偶然荷载，为了获得经济合理的设计，适当降低安全系数是必要的。《公路工程抗震设计规范》采用降低荷载安全系数验算构造物的抗震承载力。《建筑抗震设计规范》采用对结构构件承载力设计值除以承载力抗震调整系数(该系数通常小于1)来考虑这种因素。5延性和位移设计近几十年来，震害经验、试验研究和理论分析均表明，变形能力和耗能能力不足是结构在大地震作用下倒塌的主要原因。因此要通过结构的延性设计保证结构在地震作用下的变形能力。目前我国《公路工程抗震设计规范》采用强度设计方法，较少考虑桥梁结构的延性和位移要求。规范中采用综合影响系数C。来反映结构的弹塑性地震反应及计算图式简化、结构阻尼、几何非线性等因素。但是，综合影响系数物理含义模糊不清，其取值无理论上的依据。最为重要的是，“综合影响系数”掩盖了对桥梁结构位移延性的内在要求，即要求结构实际具备与C。取值相对应的位移延性。这就造成了我国当前桥梁抗震设计中的一个严重缺陷：一方面设计地震力大为折减，另一方面又没有具体构造措施来保证这种折减。我国现行的《建筑抗震设计规范》采用的是“两阶段设计方法”，即结构的承载力由小震下的弹性计算确定；而对罕遇地震下，则进行薄弱层的弹塑性变形验算。同时规定了一些基本的设计原则，例如“强柱弱梁”、“强节点弱构件”都是为了避免整体延性较差的柱铰耗能机制的形成；而“强剪弱弯”是尽量用延性较好的弯曲破坏来耗散地震能量。另外，还规定了诸如最小配箍率、最大轴压比等构造措施，使构件塑性铰截面具有充足的转动能力，用以确保整体耗能机制的形成。但是，目前我国《建筑抗震设计规范》虽然考虑了结构的延性要求，也仅仅是从整体上定性地实现延性要求。关于延性抗震设计方法，国外进行了大量的研究工作，已取得了良好的成效。新西兰桥梁设计规范(TNZ)和欧洲抗震规范Eureode8给出了钢筋混凝土墩柱延性指标与塑性铰区范围内最低约束箍筋用量、轴压比的具体量化计算公式。今后，我国的桥梁与建筑抗震设计规范也应朝着这方面发展，在某些情况下，两本规范是可以统一的。在这方面，近年来提出了基于位移的抗震设计方法(DisplacementBasedSeismicDesign)以下简称DBSD。相对于我国现行的建筑抗震设计中第二阶段的设计方法，DBSD设计方法采用明确量化的位移指标，针对业主的不同要求、建筑物的功能用途以地震作用大小的不同，选择结构应当达到怎样的功能水准和损伤程度，对建筑及桥梁结构的抗震能力进行设计。6结语通过对我国现行《公路工程抗震设计规范》与《建筑抗震设计规范》的详细对比与分析，可得如下看法：(1)桥梁结构与建筑结构的抗震设防目标、设计反应谱(包括地震动参数)、地震作用计算方法和构件截面抗震承载力计算方法等方面，完全有可能统一。(2)桥梁结构与建筑结构应逐步采用基于性能的抗震设计方法及定量的延性抗震设计方法。 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