《公路桥梁抗震设计规范》下月起施行

全面优化抗震设计 大幅增强抗灾能力
  
中国交通报 2020年08月31日 第7316期

  编者按 为适应公路桥梁建设技术和抗震设计技术的发展,交通运输部于6月发布了《公路桥梁抗震设计规范》(简称《规范》),将于9月1日起施行。为让行业管理者和从业者更好理解《规范》精神和内容,本报记者通过采访相关领域的专家,全面梳理了此次《规范》修订的背景、亮点和意义。

本报记者 张超群


云南金鸡达旦河大桥。 白洪涛 供图

  9月1日,《公路桥梁抗震设计规范》(简称《规范》)将正式施行,2008年10月颁布实施的《公路桥梁抗震设计细则》(简称《细则》)同时废止。

  《细则》施行至今已近12年,在公路桥梁的抗震防灾中发挥了重要作用。近年来,随着我国经济实力的增长,公路桥梁建设规模迅猛发展。为更好满足桥梁工程建设实践不断发展的需要,交通运输部于2014年启动了《规范》的修订工作。

  “此次修订既考虑了当前我国桥梁抗震设计的技术需求及国内外桥梁抗震设计技术的新进展,也重点考虑了与《公路桥涵通用设计规范》《公路工程抗震设计规范》《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》以及《中国地震动参数区划图》等相关标准的衔接。”桥梁工程结构动力学国家重点实验室主任、桥梁抗震技术交通行业重点实验室主任唐光武介绍,《规范》的体系更为完善、适用性和可操作性更强,也弥补了《细则》的一些不足,对进一步提升我国公路桥梁抗震设计水平具有较强指导作用。

对桥梁抗震设计提出更高要求

  《规范》在地震作用部分修订了设计加速度反应谱,计算常数取值由2.25改为2.5,全面提高了设防水平。

  哈尔滨工业大学教授陶夏新介绍:“参照现行《中国地震动参数区划图》的规定,《规范》将设计反应谱最大幅值与基本地震动峰值加速度的系数值从2.25调整为2.5,保证了标准之间的协调一致,降低了公路桥梁的地震风险,同时对桥梁抗震设计也提出了更高的要求。”

  “2015版《中国地震动参数区划图》上已经没有不设防的区域了,所以《规范》规定全国所有的公路桥梁都必须作抗震设计,抗震设防烈度大于Ⅸ度地区的桥梁和有特殊要求的桥梁还应作专门研究,对抗震救灾以及在经济、国防上具有重要意义的桥梁或破坏后修复(抢修)困难的桥梁应提高抗震设防类别。”陶夏新进一步补充道。

  据悉,此次修编中,《规范》对竖向地震作用、地震动水压力都作出新的规定,体现了国内外最新成熟的研究成果。

细分桥梁类别 设定不同目标

  “《规范》在总结汶川地震桥梁震害,并参考国内外桥梁抗震规范的基础上,明确提出了桥梁两种抗震体系以及两种体系在地震作用下的性能要求。”同济大学教授李建中介绍。

  《规范》适用于单跨跨径不超过150米的圬工或混凝土拱桥、下部结构为混凝土结构梁桥的抗震设计。斜拉桥、悬索桥、单跨跨径超过150米的梁桥和拱桥的抗震设计,除满足本规范要求外,还应进行专项研究。根据我国的具体情况,考虑公路桥梁的重要性和在抗震救灾中的作用,本着确保重点和节约投资的原则,对不同桥梁要求不同的抗震安全度,将公路桥梁分为A、B、C、D四个抗震设防类别,A类抗震设防要求和类别最高,B类、C类和D类抗震设防类别依次降低。

  A类为单跨跨径超过150米的特大桥;B类为单跨跨径不超过150米的高速公路、一级公路上的桥梁,单跨跨径不超过150米的二级公路上的特大桥、大桥;C类为二级公路上的中桥、小桥,单跨跨径不超过150米的三、四级公路上的特大桥、大桥;D类为三、四级公路上的中桥、小桥。

  “按《规范》设计的桥梁,对A类桥梁,可达到中震(重现期475年)不坏、大震(重现期2000年)有限损伤的目标,地震后能立即对所有交通开放;对采用延性抗震设计的B类、C类桥梁,能达到小震(重现期小于等于100年)不坏、大震不倒的目标,经临时加固后可供维持应急交通使用;对采用减隔震体系设计的桥梁以及B类、C类中的斜拉桥和悬索桥,能达到小震不坏,大震有限损伤的目标,地震后能立即对所有交通开放;对D类桥梁,可达到小震不倒的目标。”唐光武介绍。

修订计算方法 增强可操作性

  在修订过程中,《规范》还吸纳了近年来国内外在桥梁抗震概念设计、延性抗震设计、减隔震设计以及构造措施等方面的成熟研究成果,修订和完善了相关设计规定和计算方法,增强了《规范》体系的完整性以及设计和计算方法的适用性和可操作性。

  《规范》进一步简化了延性抗震设计和减隔震设计的计算方法,增加了防落梁措施。现有研究表明,在场地条件比较稳定的情况下,可使用减隔震技术,特别是在桥梁基本周期较短时采用减隔震支座,或者在各桥墩高度相差较大时在矮墩上采用减隔震支座,能够起到良好的减隔震作用。

  今年6月建成通车的云南大(理)永(胜)高速公路二期金鸡达旦河大桥全长688米,主跨265米,主桥为下承式钢箱系杆拱桥,是目前国内跨度最大的下承式拱桥。该桥抗震设防等级为A类,紧邻程海宾川大断裂带,抗震设防烈度为Ⅷ度,地质条件极为复杂。

  该桥主墩最大高度仅为10米,整体结构刚度大,桥墩、桩基承受了上部传递的巨大地震力。该桥设计单位云南省交通规划设计研究院有限公司在设计时采用减隔震的抗震设计方法,主墩墩顶设置4个70000千牛超大吨位摩擦摆式减隔震支座,同时配套使用横向变形量为正负30厘米的特殊伸缩缝,以适应大桥纵横向减隔震耗能引起的变形。

  减隔震技术的应用降低了对该桥工程结构的地震能量输入,减少了灾后桥梁修复加固费用,保证了在设防地震下大桥的安全。

  《规范》从减隔震体系桥梁设计理念和方法、抗震分析方法、减隔震装置的要求等方面给出了较全面系统的规定和说明,和《细则》只给出抗震设计原则相比,《规范》可操作性大幅增强。

  唐光武介绍:“《规范》中还修改了墩梁搭接长度计算公式,公式的适用范围扩大到简支梁桥和连续梁桥,并考虑了墩高、跨径和联长的影响。”此外,《规范》中还扩大了反应谱分析方法的适用范围,量大面广的普通桥梁抗震分析得到进一步简化。

□典型项目

  四川汶川克枯大桥

  采用变刚度支座 地震内力峰值降低29%

  曹发辉 特约记者 匡成刚


汶川克枯大桥。特约记者 匡成刚 供图

  汶川克枯大桥位于四川西部山区,区域内地震断裂带纵横交错,气象和地质灾害肆虐,整体生态环境敏感脆弱。

  针对如此复杂的建设环境,该桥设计单位四川省公路规划勘察设计研究院有限公司(简称四川公路设计院)经过多方案比选,最终选择钢管混凝土桁梁桥方案设计建造汶川克枯大桥。

  该桥采用轻型钢混组合上部结构,以及延性和耗能能力优异的钢管混凝土桥墩。四川公路设计院还研发了变刚度支座,通过支座刚度与桥墩刚度匹配设计,将地震响应在桥墩间合理分配,形成了墩群均衡受力的抗震结构体系。墩群均衡受力的抗震结构体系,将各墩墩底地震内力响应调控至均衡一致。

  该桥主梁采用的变刚度支座,与支座等刚度、联长短的结构体系比较,桥墩地震内力峰值降低29%。新型抗震体系在未增加材料用量和工程造价的情况下改善了桥梁抗震性能。采用钢管混凝土桁梁桥以及变刚度支座较好地提高了桥梁的抗震能力,为高烈度地震区复杂地形山区的中等跨径桥梁探索出了一种合适的新桥型。

  宁夏中卫下河沿黄河公路大桥

  设置限位阻尼 梁段位移降低76.7%

  本报记者 梅宁生 通讯员 侯永刚 苏彤毅

  宁夏中卫下河沿黄河公路大桥为双塔双索面半漂浮体系组合梁斜拉桥,结构整体为半漂浮体系,索塔位置设置竖向支座、横向抗风支座、纵向限位阻尼,过渡墩位置设置竖向支座和横向抗风支座。

  限位阻尼为动力阻尼和额定行程限位的组合功能装置系统,即对小于额定行程量的慢速位移不约束,如温度、活载等引起的位移;当由百年风荷载等引起的超出额定行程的位移发生时,装置起到限位锁定、优化结构反应的作用;纵向阻尼对汽车制动、船撞和地震等冲击荷载激励下的动力响应产生缓冲和阻尼作用。

  该桥设计单位宁夏公路勘察规划设计院有限责任公司建立了空间动力线性和非线性计算模型,研究了该结构的动力特性。

  该桥纵向阻尼器的设置有效减小了主梁、主塔塔底处的纵向地震响应。纵向漂浮体系中,工程场地重现期较长的地震作用下,梁端的最大纵向地震位移响应为1.14米;在考虑阻尼器的非线性时程分析中,梁端的最大纵向地震位移响应为0.266米,梁端位移降低了76.7%。同时,设置纵向阻尼器后,塔底纵向弯矩比纵向漂浮体系降低了46%。

  横向阻尼器的设置有效减小了主梁、主塔塔底处的横向地震响应。与横向抗风支座约束体系相比,设置横向阻尼器后,主梁剪力、弯矩等地震响应相对较为平缓;比设置横向抗风支座约束体系的横向剪力、弯矩减小了79%、77%,对主梁受力更加有利。同时,设置横向阻尼器后,桥墩、桥塔横向地震响应比横向抗风支座约束体系小,塔底横向弯矩降低了55.5%。

  云南勐古怒江特大桥

  分析参数敏感性 提升减震耗能效果

  黄永福


勐古怒江特大桥。 白洪涛 供图

  勐古怒江特大桥是国家高速公路网保山至泸水高速公路跨越怒江的关键控制性工程。该桥全长1333米,由主桥和引桥组成,其中主桥长440米,采用主跨240米双塔对称分离式钢箱梁斜拉桥方案,抗震设防等级为A类,抗震设防烈度为Ⅷ度,场地类别为Ⅱ类。

  勐古怒江特大桥纵向抗震体系采用了常规的半飘浮体系,并设置可两对粘滞阻尼器,地震响应可满足设计要求,而横向约束体系更具复杂性和多样性,也是该桥抗震设计的关键之处。为了降低索塔塔底横向地震内力,该桥在索塔与主梁、过渡墩与主梁之间设置了C形横向钢阻尼器,通过参数敏感性分析,获得了钢阻尼器的最佳参数,达到了较好的减震耗能效果。

  该桥设计单位云南省交通设计规划研究院有限公司在设计阶段还提出了三道抗震设防防线思路,即小震钢阻尼器销钉不剪断、中震大震钢阻尼器正常弹塑性耗能、超预期地震或装置失效时挡块限位。目前,该桥正在建设中,预计将于今年年底建成通车。

□延伸阅读

  我国公路桥梁抗震设计理念的演变

  唐光武

  1977年以前,我国只有一些可供桥梁抗震设计参考的技术资料,其中最重要的有1954年翻译出版的前苏联1951年版《地震区建筑规范》和1959年翻译出版的前苏联1957年版《地震区建筑规范》,这两部翻译规范包括地震区桥梁的抗震设计内容,采用的设计方法为静力法。原中国科学院土木建筑研究所在1964年编写的一部内部资料中引入了反应谱法设计计算方法,这在当时是处于国际先进水平的,可以供桥梁抗震设计参考。

  1977年,我国颁布实施了第一部《公路工程抗震设计规范》(试行)。1989年该规范修订版《公路工程抗震设计规范》(简称89版《规范》)正式颁布实施。89版《规范》共五章,包括路基、挡土墙、梁桥和拱桥、连拱桥、弯桥、隧道等构筑物的抗震设计,规定了地震荷载、抗震强度与稳定性验算以及抗震措施等。

  从设计理念和方法来讲,这两部规范均采用了一水准抗震设防,一阶段抗震设计,一般只验算结构强度,抗震计算则采用等效静力法和反应谱法。

  2008年,我国颁布实施了第一部独立的公路桥梁抗震设计标准,即《公路桥梁抗震设计细则》(简称《细则》)。《细则》共11章、4个附录,在桥梁抗震设计理念和设计方法等方面总体上达到了当时的国际先进水平。从适用范围来讲,《细则》增加了非规则桥梁的抗震设计内容;对斜拉桥、悬索桥、单跨跨径超过150米的特大跨径梁桥和拱桥,也给出了抗震设计原则和相关规定。《细则》还增加了减隔震桥梁的设计原则和相关规定,大幅度扩大了适用范围。

  从抗震设计理念和方法来讲,《细则》首次采用了两水准设防、两阶段设计的抗震设计理念和方法,由单一的依据强度验算的抗震设计修改为依据强度和变形双重指标控制的抗震设计。第一阶段的抗震设计,采用弹性抗震设计;第二阶段的抗震设计,采用延性抗震设计方法,并引入了能力保护设计原则。

  通过第一阶段的抗震设计,即对应E1地震作用(第一水准地震作用)的抗震设计,可达到和89版《规范》基本相当或略高的抗震设防水平。通过第二阶段的抗震设计,即对应E2地震作用(第二水准地震作用)的抗震设计,来保证结构具有足够的延性能力,通过验算确保结构的延性能力大于延性需求,同时通过能力保护设计,确保塑性铰只出现在预先选定的位置,并且不出现剪切破坏等破坏模式。

  (作者系桥梁工程结构动力学国家重点实验室主任、桥梁抗震技术交通行业重点实验室主任)



  海南海文大桥长3959米,横跨海南岛东北部的铺前湾海域,位于强震、强风、强腐蚀区且跨越铺前—清澜活动断层,抗震设防烈度为国内最高,设计基本风速为国内最大。在设计阶段,中国公路工程咨询集团有限公司就探明了发震活动断层及性质,揭示了跨断层桥梁地震动特性及跨断层、近断层桥梁地震损伤破坏原理,提出了跨断层、近断层桥梁设计方法及减震措施,填补了该方面的技术空白。

  汪劭祎 文 武泽宇 供图
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