浅述桥梁延性抗震设计中的能力设计理念

浅述桥梁延性抗震设计中的能力设计理念

覃伟波

广西翔路建设有限责任公司广西南宁530029

摘要：文章以桥梁的延性抗震设计为切入点，着重阐述了延性抗震设计中的能力设计理念，其中包括了该设计理念的基本原理、计算方法、基本步骤、构造要求以及与传统抗震设计方法的主要优势等等内容，希望通过本文的一些论述，能够对今后桥梁的延性抗震设计提供一些参考经验。

关键词：桥梁；延性抗震设计；能力设计理念

0引言

当前我国的交通建设高速发展，桥梁建设的发展更是取得了令人瞩目的傲人成绩。在桥梁建设发展的过程中，桥梁的抗震设计备受关注，尤其在5.12汶川大地震以后，桥梁的抗震设计更是取得了飞速的发展，从以前纯粹依靠结构的刚度来抵抗地震引起的动力，发展到通过结构的柔度来适应地震引起的波动，抗震设计的理念从如何去抵抗地震力转变为如何去适应地震变形，抗震设计的基本措施也相应调整为：隔震、延性、消能。其中延性抗震设计即为使结构能够承受地震带来的变形。本文将着重阐述延性抗震设计中的能力设计理念，希望能为大家更好地了解延性抗震设计，更好地进行桥梁的抗震设计提供一些参考。

1延性抗震的历史与概念

在上世纪70年代以前，全世界的桥梁抗震设计基本上都是纯粹以结构的刚度来抵抗地震引起的动力，基本上都算是“以刚克刚”的设计理念。直到1971年美国发生了圣·费尔南多地震之后，人们才开始重视延性设计，从单一的强度设计理念转变为强度-延性双重设计的理念，并逐渐正式提出延性抗震设计理念，用中国的话说是“刚柔并济”的设计理念。目前，延性抗震设计理念已被绝大多数地震国家的桥梁设计规范所采纳。延性抗震设计，从根本上说就是使结构能够承受地震带来的变形。从力学本质上，延性反应了结构的一种非弹性变形的能力，这种能力包括两个方面，一是能够承受较大的非弹性变形，同时强度没有明显下降；二是能够利用滞回特性吸收能量。延性的这种非弹性变形能力，是结构从屈服到破坏的后期变形能力，这种能力保证了结构强度不会因为发生了非弹性变形而急剧下降，如此在适应变形、消能、保证足够强度的三重条件下，增强了结构抵御地震破坏的能力，从而确保了桥梁的安全性能。

2能力设计的基本原理

桥梁延性抗震设计中的能力设计理念，其基本原理是：在结构体系中的延性构件与能力保护构件之间建立起强度安全等级差异化，以此确保结构不会发生脆性破坏，其中能力保护构件主要指脆性构件或者不希望发生非弹性变形的构件。我们把能力设计理念的基本原理模拟简化成为一个小模型，示意图如下：

图1能力设计基本原理示意图

在示意图中，脆性因子代表脆性构件，延性因子代表延性构件，而延性构件具有一定的塑形变形能力，脆性因子与延性因子环环相扣组成一条链子，代表我们的抗震设计结构。当拉力P作用于链条上时，即为抗震设计结构承受地震动力的时候。当所有的脆性因子都被设计成与延性因子一样的强度时，此时为安全等级同等的设计，在拉力p不断增大并超过之前设计的等同强度时，由于延性构件具有一定的塑形变形能力，则整条链条或称整个抗震结构将发生脆性破坏，即延性构件并没有完全发挥其塑形变形能力的时候，整个结构已经脆性破坏了。如果能够将所有的脆性因子都设计成比延性因子的最高强度还要高时，此时为安全等级不等的设计，那么在拉力p不断增大时，延性因子先达到其屈服强度，之后进行非弹性变形，直至延性因子破坏，在这一延性过程中，脆性因子都没有因达到其强度而破坏，即脆性因子受到了延性因子的保护，这样整个结构发生的一种延性破坏，而不是脆性破坏。

在上述原理的分析中，在这种不等强度或称不等安全等级的设计中，延性因子犹如整个链条的保险丝，起到了保护结构的作用。能使整个结构破坏的强度是由延性构件的所发挥的最大强度来决定的，脆性构件因为拉力达不到其强度而不产生破坏，因此在这种能力设计中结构不会发生脆性破坏。

3能力设计的计算方法

在上面的能力设计基本原理模型中，假设延性因子的设计强度为Pa，其在整个塑形变形中所能够承受的最大强度为λ0*Pa，即设计强度Pa乘以一个超强系数λ0，或者称为延性系数λ0；假设所有的脆性因子的设计强度为Pb；为了保证整个结构体系不发生脆性破坏，则要求所有的脆性因子的设计强度要小于延性因子在整个塑形变形中所能够承受的最大强度，如此才能确保脆性因子不受到破坏。用公式表示如下：

此计算公式仅为能力设计理念的基本计算公式，具体计算还需要根据具体结构的性质、材料、安全等级、设计要求等条件来进行。

4能力设计的基本步骤

采用能力设计理念的方法来进行桥梁的延性抗震设计，其基本步骤主要有如下三点：

4.1给桥梁选定合理的结构与布局。

4.2选定结构中潜在塑性铰区的位置。

选择结构中预期出现的塑性铰时，应能使结构获得最优的耗能，并尽可能使预期的塑性铰出现在易于发现易于修复的结构部位。通过震害分析，桥梁的上部结构很少会因直接的地震动力而破坏，而下部结构则常常因为巨大的水平地震惯性力作用而破坏，因此，强震作用下预期出现的塑性铰位置一般都出现在桥梁的下部结构中。根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）中第6.2.2条：沿顺桥向，连续梁桥、简支梁桥墩柱的底部区域，连续钢构桥墩柱的端部区域为塑性铰区域；沿横桥向，单柱墩的底部区域、双柱墩或多柱墩的端部区域为塑性铰区域。

4.3确定好适当的强度等级。

通过强度等级差异化的设计来保证预期出现塑性铰的构件不发生脆性破坏，并确保脆性材料和不宜用于耗能的构件处于弹性反应范围内。

5能力保护构件的设计要求

根据能力设计的基本原理，能力保护构件与延性构件之间必须建立适当的强度安全等级差异，以确保能力保护构件受到延性构件的保护，而始终没有出现非弹性变形。因此，能力保护构件的设计任务，就是要确保能力保护构件具备有比延性构件适当高一些的强度安全系数。针对采用桥墩作为主要延性结构的钢筋混凝土桥梁，其能力保护构件主要包括盖梁、支座、基础。这些构件的设计要求简要如下：

5.1盖梁的能力保护设计

与延性桥墩直接相连的盖梁，应按桥墩塑性铰区域截面的超强弯矩来计算设计荷载效应，并按现行的公路桥涵设计规范进行强度验算。

5.2支座的能力保护设计

对设置在延性桥墩上的弹性支座进行支座厚度与抗滑稳定性验算，以及对固定支座进行强度验算时，支座的设计地震力应根据桥墩塑性铰区截面的超强弯矩进行计算。

5.3基础的能力保护设计

与延性桥墩直接相连的基础，应按桥墩塑性铰区域截面的超强弯矩来计算设计荷载效应，并按现行的公路桥涵设计规范进行强度验算。

5.4塑性墩柱细部结构的构造设计

钢筋混凝土墩柱的细部构造设计，是保证结构能够发挥预期延性水平的一个重要因素。其主要反映在横向箍筋设置、塑性铰区长度、纵向钢筋配筋率、钢筋的锚固与搭接等方面上，具体的构造设计要求可参见《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）中的相关章节。

6能力设计的主要优势

与以往常规的强度设计方法相比，采用能力设计理念进行的抗震结构具有明显的优势，具体如下表所示：

从总体上来说，能力设计理念是结构动力概念设计的一种体现，它的主要优点是设计人员可对结构在屈服时、屈服后的性质与状态进行合理的控制，即结构屈服后的性能是按照设计人员的意图出现的，这是传统的抗震设计方法所达不到的。

7结束语

桥梁延性抗震设计中的能力设计理念，其基本思想为：通过设计使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性破坏的模式。这一设计理念无论在结构受力上还是工程经济上都是更为合理更为科学的，本文简要地阐述了这一设计理念的一些基本情况，希望能为桥梁延性抗震设计的发展提供一些参考经验。

参考文献：

[1]JTJ004-89，公路工程抗震设计规范[S]，人民交通出版社.1990.

[2]JTG/TB02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S]，人民交通出版社，2008.

[3]范立础，桥梁延性抗震设计[M]，人民交通出版社，2001.

作者简介：覃伟波（1965年4月），主要从事公路工程项目建设管理、项目前期工作管理等工作。