桥梁结构中的桥墩抗震设计方法

探讨桥梁结构中的桥墩抗震设计方法
摘要：基于性能的抗震设计提出了多级设计理念，注重满足已定
性能目标，是未来规范发展的方向。本文从抗震性能目标及桥墩损
伤状态、基于性能的抗震设计步骤及方法和基于性能抗震设计算例
三个方面详细探讨了基于性能的桥梁结构抗震设计，具有参考和借
鉴意义。
关键词：桥墩损伤；抗震设计；方法
abstract: based on the performance of the proposed design
multilevel seismic design concept, pay attention to meet
goals has qualitative, is the developing direction of future
standard. this paper, from the seismic performance targets
and bridge damage status, based on the performance of the
seismic design procedure and the method based on performance
and seismic design example three aspects were discussed based
on the capability bridge structure seismic design, it has
reference and the significance.
keywords: bridge damage; seismic design; methods
中图分类号：s611文献标识码：a 文章编号：
性能目标的确定及基于性能的抗震设计方法是基于性能抗震设
计理论的两个主要组成部分。基于性能的抗震设计提出了多级设计
理念，注重满足已定性能目标，是未来规范发展的方向。对于建筑
结构已提出的：正常使用、可使用、生命安全和接近倒塌这四级性
能目标已被研究者接受。而对于桥梁结构文献[1]采用损伤指数把
钢筋混凝土墩柱的性能目标定义为四级，文献[2]则定义为三级，
因此桥梁结构的性能目标尚无统一的标准。通过控制位移来控制结
构的性能水平，实现预期性能目标的基于位移的抗震设计受到研究
者的关注较多[3 ]。在地震作用下结构有首超破坏及累积损伤破坏
两种破坏形式。而位移指标仅考虑了首超破坏而无法反映地面运动
持续时引起的累积损伤破坏，有可能过高估计结构的抗震性能，致
使结构设计偏于不安全，故在桥墩设计时如何考虑累积损伤效应还
须要探讨。此外抗震设计方法的可操作性也是基于性能抗震设计存
在的主要问题之一。本文给出了钢筋混凝土桥墩的性能水准及其量
化指标，以弹性反应谱法和简化的能力谱法为基础，同时考虑结构
的首超破坏及累积损伤破坏，给出了可以实现桥梁结构“小震不
坏”、“中震损伤可控”及“大震不倒”三级性能目标的基于性能抗
震设计方法。该方法有一定的可操作性。
1 抗震性能目标及桥墩损伤状态
1.1 抗震性能目标及指标量化
本文将钢筋混凝土桥墩的抗震性能目标定义为三级：
1.1.1 正常运营：地震后桥墩基本处于弹性阶段，地震不对交通
运营产生影响；
1.1.2 有限运营：地震后桥墩产生的损伤可修复，部分使用功能
需修复才能继续维持；
1.1.3 停止运营：地震后桥墩不会产生毁灭性损伤，但使用功能
彻底丧失。
各性能目标对应桥墩的宏观破损状态、相应钢筋及混凝土的损伤
指标，列于表1。
表中 为钢筋应变εs为混凝土应变；εr 为箍筋屈服强度； fy
为体积配箍率。
1.2 桥墩损伤状态的宏观表示
1.2.1 性能水准i
性能水准i要求桥墩处于基本弹性状态，参考现行铁路抗震规范，
本文仍用强度破坏准则来表述。
该准则的表述如下：
(1)
式中：σ为地震下桥墩控制截面的混凝土(钢筋)应力;[σ]为混
凝土(钢筋)的容应力；y为地震时的容许应力提高系数。
1.2.2 性能水准ii
性能水准ii下允许桥墩处于非弹性状态，此时强度破坏准则已
不能反映结构的非线性性质。但该性能水准下要求桥墩的损伤可
修，因此桥墩只允许产生有限的损伤 故可用最大变形破坏准则进
行判定。本文采用位移延性系数来表述该准则：
(2)
式中：为桥墩的最大位移延性比；为桥墩容许的位移延性比。
1.2.3 性能水准iii
性能水准iii允许桥墩进入强非线性、产生严重的损伤，此状态
下桥墩可能已经历一定的耗能过程。最大位移延性系数验算仅能控
制首超破坏，而无法反映地面运动持续时引起的累积损伤破坏。
考虑到可用能量标识结构的累积损伤，本文采用的判定准则如
下：
(3)
式中：dm 和[dm]分别为实际的和允许的地震损伤指数，它们是
最大变形和滞回耗能的函数。笔者建议的损伤指数dm 计算公式为
研究者使用较多的park—ang地震损伤模型 ，如下：
式中：为构件最大延性系数；为构件在单调荷载作用下的破坏极
限延性；为屈服力与屈服位移；为组合参数，可在0.1o～0.15之
间近似取值，也可按式(5)计算；为滞回耗能；为剪跨比，当时取
1.7；为轴压比，小于0.2时取0.2。pf为纵筋配筋率，小于0.75 取
0.75 ； 为体积配箍率，大于2 取2 。为结构弯曲变形引产生的
位移，它是屈服位移△ 的一个重要组成部分。
2 基于性能的抗震设计步骤及方法
2.1 基于性能的抗震设计步骤
本文提出的基于性能的抗震设计步骤如下：
(1)确定性能目标；(2)确定地震作用；(3)桥墩的初步设计；(4)
小震强度验算及配筋设计；(5)中震
位移延性系数验算；(6)大震损伤指数验算；(7)基于能力保护设
计的抗剪强度校核
2。2 能力谱法计算位移延性系数
本文直接将桥墩的推倒曲线简化成双折线(见图1)，由屈服点及
极限点确定。
墩顶的屈服位移△ 与极限位移△ 的计算公式如下：
式中，h为墩高；为等效塑性铰区长度；分别为屈服、极限曲率；
分别为墩顶的屈服、极限剪力及弯矩； 为每延米墩身质量；为墩
顶集中质量；为荷载集度；为拟加速度谱，为拟位移谱；为墩底剪
力；为相对于基本振型的有效质量；为墩顶位移；为节点的集中质
量；分别为基本振型在墩顶及节点的振幅；为基本振型的参与系数；
为节点数。
说明，墩底截面的屈服及极限弯矩可按文献[9]给出的方法计算，
也可由截面条分法全过程分析求得。
2.3 弹性需求谱及折减
目前桥梁抗震设计时，一般使用的是(a-tn )形式的弹性反应谱。
根据式(12)可将(a-t)弹性加反应谱转化为(a-d)弹性需求谱，再由
式(11)由弹性需求谱求得(a-d)非弹性需求谱。
(11)
非弹性谱加速度、位移与弹性谱加速度的关系如下 ：
(12)
式中：为结构的弹性周期；r为强度折减系数；为位移延性系数；
为场地的卓越周期。简化计算时可取为反应谱特征周期； 分别为
弹性谱位移与弹性谱加速度。