桥梁铁路抗震规范与公路抗震规范对比分析

2010-08-03张鹏

铁道标准设计 2010年1期

张鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

目前桥梁设计时参考的抗震规范主要有两部:2006年铁道部颁布的《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)和 2008年交通运输部颁布的《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02—01—2008)。《铁路工程抗震设计规范》有关桥梁抗震设计方面的内容包含在第七章中,而《公路桥梁抗震设计细则》仅适用于桥梁抗震设计。

2008年 5月的汶川地震造成了重大的人员物质损失,桥梁作为交通的咽喉,其破坏造成交通中断引起的二次损失往往大于直接损失。图1为震后百花大桥的俯视图。汶川地震对其后颁布的《公路桥梁抗震设计细则》产生了巨大影响,这本规范吸收了桥梁抗震领域世界范围内的最新成果,拓展和细化了桥梁减震抗震的设计理念和措施。

图1 百花大桥倒塌俯视图

与《公路桥梁抗震设计细则》相比,《铁路工程抗震设计规范》在有关桥梁抗震设计方面的内容具有一定的实用性,但在设计理念、设计方法、抗震措施等方面却有很大的局限性,需要进一步提高。本文在对比《公路桥梁抗震设计细则》的基础之上,分析了《铁路工程抗震设计规范》的优点和不足,对铁路桥梁抗震规范今后的修订提出了一些看法和建议。(注:文中铁路桥梁抗震规范指《铁路工程抗震设计规范》关于桥梁部分)

2 铁路桥梁抗震规范的优点

《铁路工程抗震设计规范》提出了桥梁抗震设计的地震动水准,即:多遇地震、设计地震和罕遇地震,并且规定了在上述三种地震动水准下的三种抗震设防目标。这三种抗震设防目标分别为:

(1)性能要求Ⅰ,地震后桥梁不损坏或轻微损坏,能够保持其正常使用功能;结构处于弹性工作状态;

(2)性能要求Ⅱ,地震后桥梁可能损坏,经修补,短期内能恢复其正常使用功能;结构整体处于非弹性工作阶段;

(3)性能要求Ⅲ:地震后桥梁可能产生较大破坏,但不出现整体倒塌,经抢修后可限速通车;结构处于弹塑性工作阶段。在第七章《桥梁》一章中,从“一般规定”、“桥墩抗震分析方法”、“钢筋混凝土桥墩延性设计”、“支座与桥台”以及“抗震措施”5个方面,对桥梁抗震做了具体规定。

该规范的主编单位为原铁道第一勘察设计院(以下简称铁一院),其内容充分结合了铁一院建院五十多年来的工程实践和积累的资料,来源于勘察设计实践又反过来指导勘察设计实践,发挥了勘察设计单位作为主编的优越性,具有很强的实用性。

3 铁路桥梁抗震规范的不足

《铁路工程抗震设计规范》自颁布以来,因其实用性较高,在铁路桥梁设计中得到广泛应用。但与《公路桥梁抗震设计细则》及国外发达国家桥梁抗震规范相比,仍然存在一定差距,需要进一步提高。主要表现在以下几个方面。

(1)基于桥梁抗震性能设计方面:《铁路工程抗震设计规范》虽然提出了 3个性能要求,但却未能详细规定这 3个性能要求的使用范围,过于笼统。对于特大桥和重要桥梁,应该保证在罕遇地震下桥梁抗震性能达到性能要求Ⅰ的目标;而对于小桥和非重要桥梁,可以适当降低要求,在罕遇地震下只要桥梁达到性能要求Ⅱ或Ⅲ的要求即可,这种对不同桥梁提出不同抗震性能要求的思想在学术界称为基于性能的桥梁抗震设计理念。在《公路桥梁抗震设计细则》中,桥梁抗震设防分为 A、B、C和 D四种类别,分别于对应 4种情形,见表1。比如 A类对应于单跨跨径超过 150m的特大桥,D类对应于三四级公路上的中、小桥。这种方法细化了“大震不倒、中震可修、小震不坏”的理念,使得基于性能的抗震设计成为可能。

(2)有限元计算与分析方面铁路桥梁抗震 7.2节“桥墩抗震分析方法”中提到的设计方法以反应谱理论为基础,以手算为计算分析手段。这种方法适用于跨径小,结构形式简单的桥梁。近年来,桥梁的跨度越来越大,结构形式越来越复杂,对桥梁抗震性能的要求越来越高,使得该方法越来越难于满足工程设计要求,只能作为一种估算方法。随着计算机技术和有限元理论的发展,有限元软件逐渐应用于铁路桥梁抗震设计中。图2为采用大型有限元分析软件 Midas建立的桥梁抗震分析模型。利用有限元做桥梁抗震设计,除了能够按照反应谱理论计算桥梁的抗震响应外,还能对桥梁进行时程分析、减隔震非线性分析、桩土相互作用分析和行波效应分析等。铁路抗震规范中有关有限元方法的论述较少,而公路抗震规范对有限元方法的应用条件、建模与分析原则、结构评价标准等方面均有较为详尽的论述,极大地提高了桥梁抗震计算分析的可靠性。

表1 桥梁抗震设防类别适用范围

图2 某大桥抗震分析模型

(3)桥梁减隔震措施方面。传统桥梁抗震设计是通过提高桥墩的刚度来“抗”震的,这种方法在提高桥墩承载力的同时,另一方面会产生更大的地震响应,地震响应增大反过来又必须增加桥墩的刚度,形成一种恶性循环,使得该方法的效果大为降低。近年来,桥梁减隔震的设计理念逐渐推广,目前在工程界已经应用的桥梁减隔震系统包括液体粘滞阻尼器、液体粘弹性阻尼器、金属摩擦摆、铅芯橡胶抗震支座和锁定装置等。图3为江阴长江大桥中应用的液体粘滞阻尼器。

这些阻尼器性能稳定,且在 SAP2000和 Midas等大型分析软件中均有对应的模拟模块,利用这些模块可以准确计算出配置减隔震体系后桥梁的地震响应,从而根据实际情况选择最优化的减隔震系统,进而降低地震对结构的破坏和工程造价。吉林松花江龙华 7孔连续梁桥上的 16个锁定装置可以将固定支座上的水平剪力减少 45.3%[1]。

图3 江阴大桥阻尼器安装就位

目前《铁路工程抗震设计规范》中,还没有桥梁减隔震设计方面的内容。而《公路桥梁抗震设计细则》中则从“一般规定”、“减隔震装置”、“建模原则与分析方法”、“性能要求与抗震验算”等几个方面做了详细论述,为桥梁减隔震设计提供了依据。

(4)结构可靠度与极限状态设计法方面:《铁路工程抗震设计规范》作为铁路工程系列规范的一个重要组成体系,延续了按照容许应力法进行结构检算的基本思路。容许应力法是以荷载及其组合所产生应力不大于容许应力为安全准则[2],将结构构件的承载力降低某一个大于 1的安全系数,使结构具有一定的安全储备。安全系数的确定很大程度上依赖于工程设计经验,超过上述限制,结构未必不安全,因此这种理念并不完全正确,并不能真正反映结构是否安全。在实际设计中,材料的容许应力比规范规定的还要小一些,往往是采用了一个比安全系数更为“安全”的系数。按照这样的设计理念,往往难于完全发挥材料性能,造成极大的浪费。

容许应力法是早期结构设计理论不成熟时采用的设计方法,近年来国内外设计理论有了很大发展,公路桥梁规范和建筑规范中均已采用基于可靠度理论的极限状态法。可靠度是结构完成其预定功能的概率[3～4],没有绝对安全的结构,因此可靠度也就不能用一个绝对的、不变的标准来衡量。在一定结构可靠度的基础上,将结构的安全性和耐久性用承载能力极限状态和正常使用极限状态分别评价。前者主要用于评价结构是否会丧失承载能力出现倒塌、屈服等状况,后者主要用于评价结构裂缝是否过大导致钢筋锈蚀严重而影响结构正常使用。对于不同的极限状态,在分析实测数据的基础上,对应不同的荷载,在其标准值的基础上乘以折减系数。这样就将容许应力法中的单一安全系数细化为不同状态下对应不同荷载的“安全系数”,提高了工程设计的安全性和经济性。

4 建议

与《公路桥梁抗震细则》相比,虽然《铁路工程抗震规范》具有一定的实用性和先进性,但是在设计理念、分析方法、抗震措施和设计方法等方面还有很大的差距。为了吸收最新的国内外桥梁抗震研究成果和适应我国铁路事业的发展,提出以下建议。

(1)编写针对铁路桥梁抗震设计的《铁路桥梁抗震设计规范》。目前铁路桥梁设计所依据的《铁路工程抗震规范》,除了桥梁抗震设计的条文之外,还涉及线路、路基和隧道等结构,内容庞杂。就篇幅而言,该规范中有关桥梁抗震设计的论述仅有一章,占总篇幅的 36.8%。多次震后调查表明,桥梁在地震中的破坏几率和程度远大于其他结构,并且桥梁抗震的理论、方法、手段和措施与其他结构相差较大,因此很有必要编写一本类似于《公路桥梁抗震设计细则》那样针对性强的《铁路桥梁抗震设计规范》。

(2)发挥高校和科研单位在新规范编写过程中的作用。现有《铁路工程抗震设计规范》的主编单位为铁一院,参编人员主要是来自设计院的同志。这样的人员构成有利于吸收设计一线的工程经验,所编写的规范具有很强的实用性,便于为广大设计人员掌握。但另一方面,设计院的同志主要从事设计工作,限于工作内容,深层次的理论研究不多,无法及时将桥梁抗震领域最新的研究成果纳入规范中。以上文提到的桥梁减隔震设计为例,目前此方面的研究已较为成熟,在国内外也已应用于许多实际工程之中,然而在《铁路工程抗震设计规范》中却未提及。因此需要铁道部或者国家相关部门组织更多的高校科研人员立项建立专业课题,融合科研人员和设计人员各自的优势,编写一本前瞻性强、实用性强和创新性强的《铁路桥梁抗震设计规范》。