新旧公路桥梁抗震设计规范的对比和分析

第 32 卷第 3 期 2010 年 6 月 工程抗震与加固改造 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 32，No. 3 Jun. 2010 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting June 2010 ［文章编号］ 1002-8412(2010)03-0068-05 新旧公路桥梁抗震设计规范的对比和分析 王光裕，刘保东，李鹏飞(北京交通大学土木与建筑学院，北京 100044) ［摘 要］ 新版《公路桥梁抗震设计细则》的公布和实施，为公路桥梁抗震设计带来了先进的抗震设计理念和新的抗震设计 方法，通过对新版抗震规范的深入研究，在两个方面对新旧公路桥梁抗震设计规范作了对比和分析。首先，对新旧规范中抗 震设防思想和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 进行了对比和分析;其次，针对新旧规范中确定地震作用的具体反应谱方法作了详细的计算和对比分析。 通过对比分析， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了新规范改进的指导思想，分析了新规范抗震设计方法的改进，以及应用新规范时需注意的一些问题，可 供相关设计和研究人员参考。 ［关键词］ 公路桥梁;抗震设计规范;地震作用;水平地震力 ［中图分类号］ U442. 5 + 5 ［文献标识码］ A Comparison and Analysis between the New and Old Edition of Code for Seismic Design of Highway Bridge Wang Guang-yu，Liu Bao-dong，Li Peng-fei(School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China) Abstract:The new Guidelines for Seismic Design of Highway Bridges brings us the advanced seismic design concepts and some new design methods，the new and the old editions are compared and analyzed on two aspects through the comprehensive study of the new edition of the code for seismic design of the highway bridge. Firstly，the design principle and the seismic fortification creterions of the two codes are analyzed and compared. Secondly，the horizontal earthquake force are calculated in detail for the compare and analysis of the two specific design methods based on the response spectrum. According to the comparison and analysis，the improvement of the guiding principles and the specific seismic design methods are summarized and some useful references to the application of the new code are offered for designers and researchers Keywords:highway bridge;seismic design code;seismic action;horizontal earthquake force E-mail:baodongliu@ vip. sina. com ［收稿日期］ 2009-09-18 ［基金项目］ 交通部西部交通科技项目(200431800058) 1 引言 《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)［1］(以 下简称“旧规范”)自 1990 年 1 月 1 日颁布施行以 来，至今已有近 20 年的使用史。随着公路桥梁的快 速发展和大量修建，以及地震工程和工程抗震技术 的深入研究，旧规范在许多方面彰显不足。针对这 种情况，交通运输部于 2008 年 8 月 29 日发布了《公 路桥梁抗震设计细则》(JTG /T B02-01-2008)［2］(以 下简称“新规范”)，并于同年 10 月 1 日开始实施， 代替旧规范中桥梁抗震部分作为公路工程行业推荐 性标准，以供公路桥梁设计部门进行抗震设计时遵 循。新规范在旧规范基础上做了很多的补充和修 改，在整体抗震设防思想和抗震设计方法上都有较 大提高。本文主要针对新规范抗震设防思想的改进 和地震作用计算方法的改动与旧规范做了详细的对 比和分析。 2 新规范抗震设防思想的改进 新规范的抗震设防标准基本维持和旧规范相当 的水平，但在抗震设防思想上有很大的改变。旧规 范采用的是一水准设防，一阶段设计，即按照一个设 防水平的地震参数确定地震作用，应用线弹性设计 方法进行抗震设计和验算。新规范采用二水准设 防，二阶段设计，即针对两个设防水平的地震参数来 确定地震作用，对发生概率较高的低水准地震应用 弹性设计方法验算结构的强度，保证结构有足够的 第 32 卷第 3 期 王光裕，等:新旧公路桥梁抗震设计规范的对比和分析 ·69· Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 32，No. 3 2010 承载能力。而对发生概率较低的高水准地震应用弹 塑性设计方法验算屈服后强度和变形，保证桥梁结 构位移和变形小于规定的容许值。 在具体操作过程中，新规范按桥梁重要性和修 复的难易程度将桥梁抗震设防类别划分为 A、B、C、 D 4 个类别，不同类别桥梁的抗震设防区别对待;同 时又根据桥梁单跨最大跨径、墩高、桥跨布置方案、 支座类型等将常规桥梁划分为规则桥梁和非规则桥 梁，规则桥梁采用与旧规范一致的单振型反应谱法 确定地震作用，而对非规则桥梁则必须考虑高阶振 型的参与或采用时程分析法确定地震作用。 新规范按地震重现期的不同将设计地震划分为 E1 地震和 E2 地震，分别对应两个水平的抗震设防 标准，且不同类别的桥梁对应的 E1 地震和 E2 地震 的重现期的长短不同。对于 B、C 类桥梁 E1 地震的 重现期为 50 ～ 100 年，E2 地震的重现期约为 2000 年。D类桥梁由于抗震重要性较低，还是按一级设 防标准进行抗震设计。而旧规范中对所有桥梁结构 均采用单一水准的设计地震。 另外，近几十年来，震害经验、试验研究以及理 论分析均表明变形能力和耗能能力不足是结构在大 震作用下倒塌的主要原因［3 ～ 4］，新规范通过延性设 计保证结构在罕遇地震作用下的变形能力是个较大 的改进。 3 新旧规范地震作用计算方法对比及分析 由于抗震设防标准和抗震设计方法的改进给地 震作用的计算带来了很多改动，下面首先针对新旧 规范具体的地震作用计算方法进行说明，然后具体 分析各种相关因素对地震作用计算结果的影响。 3. 1 新旧规范地震作用计算方法说明 新规范和旧规范对于常规桥梁结构地震作用的 计算都主要是基于反应谱理论，下面分别列出各自 的计算方法和参数说明，为后面的对比分析做准备。 由于一般设防条件下只考虑水平地震作用，需考虑 竖向地震作用时规范规定在水平地震作用的基础上 乘以一个系数，所以下面只列出新旧规范水平地震 力的计算方法。 (1)旧规范水平地震力计算 旧规范桥墩水平地震力计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为 Eihp = CiCzKhβ1γ1X1iGi 式中，Ci 为重要性修正系数;Cz 为综合影响系数;Kh 为水平地震系数;β1 为动力放大系数;γ1 为桥墩顺 桥向和横桥向的基本振型参与系数;X1i为桥墩基本 振型在第 i 分段重心处的相对水平位移，Gi 为桥墩 墩身第 i分段的重力(kN)。 (2)新规范桥墩水平地震力计算 新规范桥墩水平地震力计算公式为 Eihp = Sh1γ1X1iGi /g S = Smax(5. 5T + 0. 45) T < 0. 1s Smax 0. 1s≤ T≤ Tg Smax(Tg /T) T > T { g 其中，Smax = 2. 25CiCsCdA;Sh1为相应水平方向的加 速度反应谱值;g为重力加速度值;Ci 为结构抗震重 要性系数;Cs 为场地系数;Cd 为阻尼调整系数;A 为 水平方向设计基本地震动加速度峰值。 3. 2 新旧规范地震作用对比分析 下面分别针对影响地震作用的各种因素，对新 旧规范水平地震力计算结果进行比较和分析。为了 更明确的体现新旧规范水平地震力的差异，计算结 果采用相对值，即以旧规范计算的水平地震力值为 1 进行对比分析;计算时采用控制变量方法，即在具 体计算相对水平地震力时，取待比较的参数为变量， 而其它参数的取值保持一致。 (1)抗震设防烈度 新规范中用到的地震动力加速度幅值 A 和旧 规范的水平地震系数 Kh 都是根据基本抗震设防烈 度来取值的，具体取值如表 1 和表 2 所示。 表 1 旧规范水平地震系数 Kh Table 1 Value of Kh in the old code 基本烈度(度) 7 8 9 水平地震系数 Kh 0. 1 0. 2 0. 4 表 2 新规范水平设计基本地震动加速度峰值 A Table 2 Value of the design peak ground accelerator in the new code 设防烈度 6 7 8 9 A 0. 05g 0. 10(0. 15)g 0. 20(0. 30)g 0. 40g 从表 1 和表 2 中可以看出，新规范和旧规范的 取值基本上是一致的，但是存在两点差异:①新规范 规定抗震设防烈度从 6 度区开始必须进行抗震设 计，而旧规范中从 7 度才开始考虑设防;②新规范采 用现行的《中国地震动参数区划图》［5］来确定一般 ·70· 工程抗震与加固改造 2010 年 6 月 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting June 2010 公路桥梁结构的抗震设防烈度，新增了 7. 5 度区和 8. 5 度区的取值(取括号里的值)。 (2)桥梁类别 新规范按桥梁重要性和修复的难易程度将桥梁 抗震设防类别划分为 A、B、C、D 4 种类别，不同类别 桥梁的抗震设防区别对待。下面分别用新旧规范， 对常规桥梁不同结构自振周期时桥墩的相对水平地 震力进行计算对比，计算结果如表 3 所示。 表 3 不同桥梁类别条件下桥墩相对水平地震力的计算结果 Table 3 Value of relative horizontal earthquake force of different kinds of bridges T(s) B类桥梁 C类桥梁 D类桥梁 旧规范 E1 E2 旧规范 E1 E2 旧规范 E1 E2 0. 10 1. 00 0. 95 2. 95 1. 00 0. 75 2. 25 1. 00 0. 50 0. 00 0. 20 1. 00 0. 95 2. 95 1. 00 0. 75 2. 25 1. 00 0. 50 0. 00 0. 30 1. 00 0. 95 2. 95 1. 00 0. 75 2. 25 1. 00 0. 50 0. 00 0. 50 1. 00 1. 25 3. 92 1. 00 1. 00 3. 00 1. 00 0. 67 0. 00 0. 70 1. 00 1. 22 3. 67 1. 00 1. 00 2. 89 1. 00 0. 67 0. 00 0. 90 1. 00 1. 29 3. 71 1. 00 1. 00 2. 86 1. 00 0. 71 0. 00 1. 00 1. 00 1. 33 3. 83 1. 00 1. 00 3. 00 1. 00 0. 67 0. 00 从表 3 中可以看出:对 B 类和 C 类桥梁，新规 范按 E1 地震作用计算得到的桥墩水平地震力和旧 规范的计算结果差别不大，新规范按 E2 地震作用 计算得到的桥墩水平地震力大约是 E1 地震作用下 计算结果的 3 倍，而且这个值随着结构自振周期的 延长而增大。这说明对于超越概率较低的罕遇地震 作用，新规范增加了防倒塌验算。对 D 类桥梁，按 新规范计算得到的桥墩水平地震力要比旧规范的计 算值小 30% ～50%，说明新规范对于那些抗震重要 性较低的 D 类桥梁采用的抗震设防水准比旧规范 偏低，体现了新规范分级设防的思想。 (3)加速度反应谱 新规范和旧规范在计算地震作用时都主要是基 于加速度反应谱法。旧规范中水平地震力计算中用 到的是动力放大系数谱，如图 1 所示，新规范则是用 加速度反应谱，如图 2 所示。在应用反应谱法进行 计算时，二者的功能和使用方法类似。旧规范中根 据 4 类场地分别列出了 4 条动力放大系数谱曲线， 由于场地类别的差异引起这四条谱曲线的差别主要 表现在特征周期大小引起水平段的长度不同和下降 段函数表达式的差异。新规范以Ⅱ类场地为标准， 通过引入场地特征周期 Tg 和采用相同的下降段函 数表达式，将旧规范中的四条谱曲线统一起来，并引 进场地系数 Cs 考虑不同场地条件的影响。 图 1 动力放大系数 β 曲线 Fig. 1 Dynamic magnification factor β 图 2 水平设计加速度反应谱 S Fig. 2 The horizontal design acceleration response spectrum S in the new code 为比较反应谱的修改对地震作用计算结果的影 响，针对各种不同类别的场地，分别将用新规范和旧 第 32 卷第 3 期 王光裕，等:新旧公路桥梁抗震设计规范的对比和分析 ·71· Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 32，No. 3 2010 规范计算得到的桥墩水平地震力进行对比分析。计 算结果如表 4 所示。 从表 4 中可以看出，一般情况下，旧规范的计算 值比新规范的计算值略大一些。但是由于新规范和 旧规范对场地类别的划分原则有差异，新规范中同 一场地类别对应不同特征周期，在一些情况下结构 自振周期大于旧规范的场地特征周期而小于新规范 调整后的场地特征周期，因此此时对应的新规范的 谱参数的取值可能较旧规范略大一些。另外，新规 范的设计加速度反应谱的时长从旧规范的 5s 延长 到了 10s，这主要是考虑到桥梁结构向轻质、大跨方 向发展，基本自振周期延长，新规范增加了长周期反 应谱以适应这部分桥梁抗震设计的需要［6］。 表 4 不同场地条件下反应谱取值的差异 Table 4 Value of acceleration spectrum under different site conditions 场地类别 调整后的 Tg(s) 0. 10g 0. 15g 0. 20g 0. 30g 0. 40g 旧规范Ⅰ 0. 20 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 25 0. 95 0. 95 0. 95 1. 15 1. 21 新规范Ⅰ 0. 30 0. 95 0. 95 0. 95 1. 38 1. 45 0. 35 0. 95 0. 95 0. 95 1. 38 1. 69 旧规范Ⅱ 0. 30 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 35 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 1. 13 新规范Ⅱ 0. 40 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 1. 29 0. 45 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 1. 29 旧规范Ⅲ 0. 45 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 45 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 新规范Ⅲ 0. 55 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 0. 65 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 旧规范Ⅳ 0. 70 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 65 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 新规范Ⅳ 0. 75 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 0. 90 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 0. 95 (4)综合影响系数 旧规范在基于弹性设计方法的基础上，为了考 虑结构塑性变形影响，结合经验引入了综合影响系 数，作为反映结构延性抗震能力的一个地震作用折 减系数。但是，由于结构的延性与结构的力学性能、 构造布置合理程度、杆件的延性性质、杆件的材料特 性等都相关，因此旧规范对综合影响系数的取值依 据欠科学，且取值的分类过于笼统，不能确切地反映 影响结构延性性能的因素［6］。 新规范在旧规范基础上取消了综合影响系数， 而对结构的抗震重要性系数 Ci 的取值进行了相应 的调整。 以下列举了新规范中的抗震重要性系数和原规 范中的重要性修正系数的取值，并且计算了旧规范 中重要性修正系数与综合系数的乘积，进而与新规 范的抗震重要性系数进行对比。具体的计算对比结 果如表 5 所示。 表 5 综合影响系数取消前后系数 Ci 的取值对比 Table 5 Comparison of the value of Ci before and after canceling the comprehensive influence factor 桥梁分类 旧规范 新规范 Ci Ci Ci* Cz E1 E2 B 1. 3 0. 455 0. 43 1. 3 C 1. 0 0. 350 0. 34 1. 0 D 0. 6 0. 210 0. 23 － 从表 5 中可以看出，新规范中 E1 地震作用下的 结构抗震重要性系数与旧规范中的结构重要性修正 系数和综合影响系数的乘积相当，保证了新规范在 E1 地震作用下达到和旧规范相当的抗震设防水平， 这也从侧面体现了新规范规定 E1 地震作用下的抗 震重要性系数的取值是参考原规范而给出的。新规 范在 E2 地震作用下的结构抗震重要性系数大约是 E1 地震作用下计算结果的 3 倍，按 E2 地震作用进 行验算，可以保证结构在罕遇地震作用下具有足够 的延性。 (5)阻尼调整系数 旧规范中没有考虑阻尼比变化的影响，动力放 大系数谱曲线对应的阻尼比为 5%。阻尼比是结构 重要的动力参数之一，它首先与结构材料相关，钢结 构的阻尼比一般在 2%左右，钢筋混凝土结构的阻 尼比一般在 5%左右。另外，结构的阻尼比也不是 确定不变的，它随着结构构件的开裂、屈服和刚度退 化等而增大，例如，钢结构在弹性受力阶段阻尼比在 1%左右，而当结构进入塑性阶段时，阻尼比可达到 ·72· 工程抗震与加固改造 2010 年 6 月 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting June 2010 10%以上，对钢筋混凝土构件，阻尼比还会更大一 些，所以很有必要考虑阻尼比对抗震设计的影响。 新规范为考虑阻尼耗能对结构抗震能力的影响，引 进了阻尼比调整系数，不同阻尼比情况下 Cd 的取值 如表 6 所示。 表 6 不同阻尼比情况下 Cd 的取值 Table 6 Value of Cd under different damping ratio ξ 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 07 0. 09 0. 10 0. 20 Cd 1. 52 1. 32 1. 18 1. 08 1. 00 0. 89 0. 81 0. 78 0. 63 从表 6 中可以看到，阻尼比对地震作用计算结 果的影响较大，小阻尼比的结构在使用旧规范进行 抗震设计计算时是不利的。考虑阻尼调整系数可以 更全面准确地分析结构的抗震性能。另外，考虑结 构阻尼耗能也是新规范设计理念的一个很重要的改 进。 4 结论 新规范总结吸收了近些年来地震工程和工程抗 震研究中较成熟的新技术和新理论，同时吸取了其 他国家和部门抗震设计规范的先进思想和规 定［7 ～ 9］，在旧规范的基础上有较大的改进。通过本 文的对比分析，可以得出以下结论: (1)新规范采用两水准、两阶段的设防标准，相 比旧规范的一水准、一阶段有较大的改进。新规范 在 E1 地震作用下采用弹性抗震设计方法，基本上 达到和旧规范相仿的抗震设防标准，在 E2 地震作 用下，采用延性抗震设计方法，防止结构倒塌。 (2)新规范依据桥梁重要性和修复的难易程度 将桥梁抗震设防类别分为 4 个类别，不同类别区别 对待。新规范对常规桥梁的抗震标准与旧规范相 仿，对 D 类桥梁采用的抗震设防水准比旧规范偏 低，体现了分级设防的先进思想。 (3)旧规范和新规范在计算常规桥梁地震作用 时都是基于反应谱法。新规范将旧规范的 4 条动力 放大系数谱曲线用一条加速度反应谱曲线统一，并 基本维持了原规范的设防水平。 (4)新规范取消了旧规范中有争议的综合影响 系数，通过选取适当的结构抗震重要性系数使得桥 梁结构在 E1 地震作用下时的地震作用力保持和原 规范相当的水平。 (5)新规范新增了阻尼调整系数，考虑了阻尼 比的不同对桥梁抗震设计的影响。 参考文献(References): ［1 ］ JTJ004-89，公路工程抗震设计规范［S］.北京:人民交 通出版社，1990 JTJ 004-89，Standard of Ministry of Communications P. 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