日本橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范――基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法
發(fā)布時(shí)間：2010-01-14 共1頁
摘要：本文對世界主要的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范基礎(chǔ)部分的現(xiàn)狀進(jìn)行了概略的比較，著重介紹日本橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，并指出了中國現(xiàn)行《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》基礎(chǔ)部分中存在的一些不足。
關(guān)鍵詞：橋梁 基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì) 日本規(guī)范
一、引言
近十年來，世界相繼發(fā)生了多次重大地震，1989年美國 Loma Prieta地震（M7.0）、1994年美國Northridge地震（M6.7）、1995年日本阪神地震（M7.2）、1999年土耳其伊比米特地震（M7.4）、1999年臺灣集集地震（M7.6）等等。因此，專家們預(yù)測全球已進(jìn)入一個(gè)新的地震活躍期。隨著現(xiàn)代化城市人口的大量聚集和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，地震造成的損失越來越大。地震災(zāi)害不僅是大量地面構(gòu)筑物和各種設(shè)施的破壞和倒塌，而且次生災(zāi)害中因交通及其他設(shè)施的毀壞造成的間接經(jīng)濟(jì)損失也十分巨大。以1995年日本版神地震為例，地震造成大量高速公路及高速鐵路橋隧的毀壞，經(jīng)濟(jì)總損失高達(dá)1000億美元。
近幾次大地震造成的大量橋梁的破壞給了全世界橋梁抗震工作者慘痛的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。各國研究機(jī)構(gòu)紛紛重新對本國橋梁抗震規(guī)范進(jìn)行反思，并進(jìn)行了一系列的修訂工作。日本1995年阪神地震后，對結(jié)構(gòu)抗震的基本問題重新進(jìn)行了大量的研究，并十分重視減振、耗能技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。橋梁、道路方面的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)重新編寫，并于1996年頒布實(shí)施。美國也相繼在聯(lián)邦公路局（FHWA）和加州交通部（CALTRANS）等的資助下開展了一系列的與橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范修訂有關(guān)的研究工作，已經(jīng)完成了ATC－18，ATC－32T和ATC-40等研究報(bào)告和技術(shù)指南。與舊規(guī)范相比，新規(guī)范或指南無論在設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)手法、設(shè)計(jì)程序和構(gòu)造細(xì)節(jié)上都有很大的變化和深入。
中國現(xiàn)行《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ004－89）在80年代中期開始修訂，于1989年正式發(fā)行。隨著中國如年代經(jīng)濟(jì)起飛，交通事業(yè)迅猛發(fā)展，特別是高速公路興建、跨越大江，大河的大跨橋梁、大型立交工程以及城市中大量高架橋的興建，規(guī)范已大大不能適應(yīng)。但是目前所有國內(nèi)的橋梁設(shè)計(jì)，對抗震設(shè)計(jì)均在設(shè)計(jì)書上標(biāo)明的參照規(guī)范即是《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鐵道工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。與國外如日本、美國的同類規(guī)范相比，中國現(xiàn)行《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》水準(zhǔn)遠(yuǎn)落后于國外同類規(guī)范。若不進(jìn)行改進(jìn)，則必將給中國不少橋梁工程留下地震隱患。
本文主要介紹了各國橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中基礎(chǔ)部分的抗震設(shè)計(jì)。基礎(chǔ)部分對全橋的地震響應(yīng)以及墩柱力的分布均有非常重要的影響。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)會導(dǎo)致橋梁墩柱在地震中發(fā)生剪斷、變形過大不能使用等等，有時(shí)甚至是樁在根部直接剪斷破壞。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要考慮的方面除了基礎(chǔ)形式的選擇以外還包括抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度樁基礎(chǔ)連接部分的細(xì)部構(gòu)造、錨固構(gòu)造等方面。本文首先對中、美、日、歐洲、新西蘭五國或地區(qū)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)基礎(chǔ)的部分進(jìn)行了一般性的比較。筆者認(rèn)為，相對而言中國的規(guī)范在基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)方面較為粗糙、可操作性不強(qiáng)。而日本規(guī)范在這方面作的最為細(xì)致，技術(shù)也較為先進(jìn)。因此，在隨后的部分中詳細(xì)介紹了日本抗震規(guī)范的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法。
二、主要國家橋梁抗震規(guī)范基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)的概況
本文將中國橋梁抗震規(guī)范與世界上的幾種主要抗震規(guī)范（美國的AASHTO規(guī)范、Cal－tans規(guī)范、ATC32美國應(yīng)用技術(shù)協(xié)會建議規(guī)范，新西蘭規(guī)范NZ，歐洲規(guī)范EC8，日本規(guī)范JAPAN）進(jìn)行基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)方面的比較。
中國橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的部分十分籠統(tǒng)，只以若干定性的條款，從工程選址方面加以考慮，而對基礎(chǔ)本身的抗震設(shè)計(jì)，特別是對于樁基礎(chǔ)等輕型基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)重視不夠。這方面，日本的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和準(zhǔn)則規(guī)定得比較詳細(xì)，是我們應(yīng)當(dāng)學(xué)亂之處。基于阪神地震的經(jīng)驗(yàn)，地震后橋梁上部結(jié)構(gòu)的修復(fù)和重建都比下部基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)和省時(shí)、省力，因此橋梁基礎(chǔ)的抗震能力的要求應(yīng)比橋墩高。
三、日本橋粱基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)方法細(xì)節(jié)
1.按流程，先用震度法設(shè)計(jì)。震度法基本概念是把設(shè)計(jì)水平震度
Kh乘以結(jié)構(gòu)Kh的計(jì)算方法如下：
其中Cz——地區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)；
Kh0——設(shè)計(jì)水平震度的標(biāo)準(zhǔn)值。
其中，δ是把抗震設(shè)計(jì)所確定的地基面以上的下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的80％或100％和該下部結(jié)構(gòu)所支承的上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的 100％之和作為外力施加到結(jié)構(gòu)上在上部結(jié)構(gòu)慣性力作用點(diǎn)位置發(fā)生的位移。
2.用震度法設(shè)計(jì)以后，如果基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是橋臺基礎(chǔ)或者橋墩的擴(kuò)大基礎(chǔ)，不需要用地震時(shí)保有水平耐力法設(shè)計(jì)。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)橋臺基礎(chǔ)時(shí)，地震時(shí)動力壓力的影響非常大，此外結(jié)構(gòu)背面存在的主體也使結(jié)構(gòu)不容易發(fā)生振劾。而對于擴(kuò)大基礎(chǔ)來說一般地基條件非常好，因此，地震時(shí)基礎(chǔ)某些部位轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生非線變形可以消耗許多地震能量。
3.用地震時(shí)保有水平耐力法設(shè)計(jì)時(shí)，首先要判斷基礎(chǔ)水平耐力有沒有超過橋墩的極限水平耐力。這是因?yàn)榈卣饡r(shí)保有水平耐力法的基本概念是盡量使地震時(shí)在橋墩而不是在基礎(chǔ)出現(xiàn)的塑性鉸。如果在基礎(chǔ)出現(xiàn)塑性鉸，發(fā)生損傷后，修復(fù)很困難。所以，我們要把基礎(chǔ)的行為控制在屈服范圍內(nèi)。
如果基礎(chǔ)水平耐力小于橋墩的極限水平耐力，則要判斷橋墩在垂直于橋軸方向的抗震能力是不是足夠大（按式（3））。因?yàn)槿绻麡蚨赵诖怪庇跇蜉S方向具有足夠大的抗震能力（例如壁式橋墩），而且基礎(chǔ)的塑性反應(yīng)在容許范圍以內(nèi)，則基礎(chǔ)的非線性行為能吸收大量的振動能量并且基礎(chǔ)仍然是安全的。
橋墩的極限水平耐力Pu≥1.5KheW （3）
Khco——設(shè)計(jì)水平震度的標(biāo)準(zhǔn)值；
Cz——地區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)；
μa——容許塑性率；
W－一等價(jià)質(zhì)量（ W=Wu十CpWp）；
Wu——振動單位的上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量；
Wp——振動單位的橋墩質(zhì)量；
Cp——等價(jià)質(zhì)量系數(shù)（剪斷破壞時(shí)1.0，剪斷破壞以外是0.5）。
4.橋墩的極限水平耐力滿足Pu≥1.5KheW時(shí)，對基礎(chǔ)塑性率進(jìn)行對照檢查。雖然基礎(chǔ)的非線行為能吸收大量振動能量，但是對于有的基礎(chǔ)部件來說，可能會遭受過大的損傷。所以要控制基礎(chǔ)的反應(yīng)塑性率，按如下要求：
μFR≤μFL （4）
式中μFR——基礎(chǔ)反應(yīng)塑性率；
μFL——基礎(chǔ)反應(yīng)塑性率的限度。
5.發(fā)生液化時(shí)，要降低土質(zhì)系數(shù)。隨后的計(jì)算（對照和檢查）同上述方法基本一致。
6.在地震時(shí)保有水平耐力法的流程中，最后是對基礎(chǔ)水平位移、轉(zhuǎn)角的對照和檢查。要求是基礎(chǔ)最大水平位移為40cm左右，基礎(chǔ)最大容許轉(zhuǎn)角為0.025rad左右。
四、結(jié)語
本文對世界主要的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一定的比較，主要介紹了日本橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法。總的來說，日本的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法規(guī)定比較細(xì)致，相對而言，中國現(xiàn)行《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法比較籠統(tǒng)，對于擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)沒有分開規(guī)定。這一點(diǎn)，在新規(guī)范制定時(shí)應(yīng)予以重視。
