橋梁抗震的案例
基于能力保護原則的橋梁抗震設計 附公路橋梁抗震設計細則JTGT B02-01-2008下載
本文對基于能力保護原則設計的橋梁，簡要介紹了橋梁抗震設計原則、抗震體系選取，重點分析了橋梁墩柱潛在塑性鉸屈服條件的判斷過程，以及不希望發生非彈性變形的構件-墩柱抗剪、蓋梁、基礎、支座作為能力保護設計的計算方法。
關鍵詞：抗震設計、塑性鉸、能力保護設計
01引言
地震災害是瞬時突發性的社會災害，短時間內造成橋梁倒塌、交通中斷、人員傷亡，經濟損失巨大，它所造成的社會影響比其他自然災害更為廣泛、強烈，社會影響深遠。《城市橋梁抗震設計規范》規定：地震基本烈度為6度及以上地區的城市橋梁，必須進行抗震設計，且此條為強制性條文。橋梁抗震設計一直受到設計及審查人員重視，但在實際設計文件中，抗震設計仍存在一定問題，部分設計文件抗震設計概念混淆、抗震計算內容不全、或能力保護構件設計取值存在問題。本文結合審圖過程中抗震設計、以及《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）、《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01-2020)，對橋梁抗震設計、能力保護構件計算的內容進行了梳理，希望能對橋梁抗震設計及施工圖審查工作有所幫助。
02抗震設計原則及抗震體系選取
橋梁抗震設計的基本原則包括：彈性設計原則、延性設計原則、能力保護原則、減隔震設計原則。合理的抗震設計，要求橋梁結構在強度、剛度、延性等指標上組合最佳，從而經濟合理的實現抗震目標。
(1) 抗震設防目標及抗震設計原則
橋梁抗震設防分類依據其結構型式、在城市交通網絡中位置的重要性以及承擔的交通量分為甲、乙、丙、丁四類，甲、乙、丙類橋梁抗震設計采用兩水準設防、兩階段（E1、E2）設計方式。
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由于結點受力復雜，目前美國的AASHTO規范，歐洲的Eurocode規范和我國的公路抗震設計規范對結點的設計和構造都沒有特別的規定。在橋梁抗震設計中除了要保證橋墩、橋梁有足夠的承載力和延性外，還要保證橋梁節點有足夠的承載力，避免節點過早破壞。即“強節點，弱構件”。
綜合起來，建筑結構抗震設計遵循如下原則：
強柱弱梁：要求同一結點柱端截面受彎承載力總和大于梁端受彎承載力總和；
強剪弱彎：控制截面的抗剪承載力大于抗彎承載力；
強結點弱構件：梁柱結點是保證結構整體性和關鍵部位，要保證結點有足夠的強度和剛性，建筑結構抗震的一般原則同樣適用于橋梁結構。
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3.橋梁抗震是一個系統工程，千萬不要用結構靜力學的思維模式去理解（解釋）橋梁抗震的概念，一個好的橋梁工程師是地震力的合理疏導者、而不是地震力的圍堵者。如果沒有結構動力學、地震工程學的基礎，千萬別提：延性抗震體系、減隔震體系、……。還應該注意：現有的理論不足以解答橋梁抗震的所有問題，尤其是大跨高聳結構。
4.筆者在總結汶川地震等橋梁震害、這些1:1的“足尺試驗”的基礎上，將橋梁抗震基本理念總結為：“因地制宜選擇橋型”、“多道設防、分級耗能”、“一可三易（即：損傷部位及損傷程度可控、損傷部位或構件易檢、損傷部位或構件易修、損壞部位或構件易換，‘可控’是目標、‘易檢、易修、易換’是實現‘可控’的手段）”。對墩頂采用蓋梁的中小跨徑梁橋而言，在破壞性地震作用下，板式橡膠支座作為“保險絲式單元”優先損傷，因為它的損傷保護了橋墩和樁基，即：犧牲局部保護整體。這一理念已在《橋梁抗震研究（第二版）》（中國鐵道出版社，2014年第二版第一次印刷、2015年第二版第二次印刷）的相關章節展開了論述（有興趣的讀者可以參閱此書，同時可以查閱我們抗震學科組近年來發表的40余篇相關文章）。
筆者認為：“多道設防、分級耗能”、“一可三易”，這12個字可以作為橋梁抗震的基本理念。
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《公路橋梁抗震設計細則》（JTGT B02-01-2008）
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無縫預制混凝土橋梁的好處和抗震設計要求
然而，在某些情況下，特別是在較大跨度的無縫橋梁中，設計橋臺時都需考慮上部結構旋轉引起的力矩。
針對不同抗震設計類別的橋臺縱向響應
針對抗震設計類別B或C中橋梁設計的橋臺，預計能夠承受地震荷載，并且最大限度地減少損傷。對于座式橋臺，預計動態被動壓力狀態下的橋臺運動最小。然而，橋梁上部結構位移要求可以是100毫米或以上，并可能增加土壤移動性。
對于抗震設計類別D，由于較大縱向上部結構位移與慣性荷載相關，因此通常會調動無縫橋臺墻以及座式橋臺背墻后方土壤中的被動壓力阻力。以下兩種方案可供選擇：
方案1：沒有橋臺貢獻的抗震系統（ERS）。橋梁抗震系統應設計成能夠承受所有地震荷載，而不需要橋臺的任何貢獻。橋臺可能有助于限制位移，提供額外的承載力和更好的性能，這在分析模型中沒有直接解釋。為確保梁柱能夠承受橫向載荷，應假設橋臺的剛度和承載力為零。這種情況下，應考慮結合地震加速度引起的嚴重位移影響，對橋臺進行評估。在適當的情況下，該評估應涵蓋橋臺傾覆。
方案2：有橋臺貢獻的抗震系統（ERS）。這種情況中，橋梁應設計成以橋臺作為抗震系統的關鍵元件。通過橋臺設計和分析，證實設計地震位移。如果設計中包括了橋臺剛度和承載力，則應該意識到，通過橋臺位移調動的被動壓力區，會延伸到通常用于工作靜載設計的主動壓力區之外。
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盡管到目前為止，大跨度橋梁因地震而毀壞的情況并不多見，但是鑒于它們在經濟、交通等方面占據的特殊重要地位，以及20世紀國內外出現的幾次慘重的地震災害的教訓，對這些重大工程進行抗震設防是十分必要的。
另一方面，目前國內外現有的絕大多數橋梁工程抗震設計規范只適應于中等跨度的普通橋梁，超過適用范圍的大跨度橋梁的抗震設計，則無規范可循。我國公路工程抗震設計規范只適用于主跨不超過150m的梁橋和拱橋；我國鐵路工程抗震設計規范雖沒有說明跨度范圍，但說明“對特殊抗震要求的建筑物和新型結構應進行專門研究設計”。
蘇通大橋工程是一個特大型的橋梁工程，投資很大，而且在政治經濟上具有非常重要的地位，一旦在地震中遭到破壞，可能導致的生命財產以及間接經濟損失將會非常巨大。因此，進行正確的抗震研究，確保其抗震安全性具有非常重要的意義。
蘇通大橋工程的規模很大，橋梁長度7800 m，包括主航道橋、港區專用航道橋和引橋三部分。其中，主航道橋為主跨1088m的雙塔斜拉橋；港區專用航道橋有兩個方案，即主跨258m的預應力混凝土連續剛構方案和鋼連續梁方案；引橋為跨度30m、50m和75m的多跨連續梁方案。因此，橋梁結構的抗震研究涉及到超大跨度斜拉橋、大跨度連續剛構和連續梁橋這三種橋型，而這三種橋型的抗震性能各有特點，采用的抗震設計策略也應各不相同，因此抗震研究工作不僅工作量相當大，而且相當復雜。
本報告主要進行了以下三方面的工作：
1) 蘇通大橋抗震設防標準研究
2) 主航道橋抗震性能研究
3) 專用航道橋抗震性能研究
4) 引橋抗震性能研究
2. 蘇通大橋抗震設防標準的研究
確定橋梁工程的抗震設防標準，實際上就是選擇橋址場地地震作用概率水平。這是一項經濟性和政策性很強的工作。
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隨著社會經濟和科學技術的快速發展，造橋技術不斷進步，橋梁結構逐步向輕巧、纖細方面發展。與此
同時橋梁的載重、跨徑和橋面寬卻不斷增長，結構型式不斷變化，傳統的橋梁平面桿系結構程序已越來越不
能滿足設計要求，這就迫切需要功能齊全、性能可靠的綜合分析程序來求解橋梁在各種因素作用下的力學特
性，ANSYS 正是這種綜合程序的代表。ANSYS 可以模擬橋梁預應力鋼筋的松弛、混凝土的徐變、開裂、壓潰
以及結構溫度應力（年溫差、日照溫差、混凝土水化熱）等因素對橋梁的影響，同時也可以方便地計算出箱
梁的畸變應力、剪力滯效應以及橋梁構件與支撐部位的接觸狀態；對于懸吊拉索結構橋梁，由于上部結構的
柔軟性，所以其風振是一個不容忽視的問題，用ANSYS 可以很好地模擬風力對橋梁的影響，如渦流激振、抖
振、疾振和顫振；我國是地震多發帶，幾次大地震一再顯示了橋梁結構破壞的嚴重后果，橋梁抗震分析的重
要性已經不容置疑，ANSYS 可以提供適合橋梁地震響應分析的多點激勵譜分析；此外，可利用ANSYSY 流固
耦合分析功能進行精確的風振計算。
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展開 ABAQUS橡膠支座：考慮橡膠支座可變摩擦力的大跨度連續梁橋增量動力分析
本文提出采用一種非線性可變摩擦支座模型進行橡膠支座性能的模擬，基于增量動力分析方法對連續梁橋采用不同支座模型的抗震性能進行了定量比較，得到結論如下:
1. 盡管豎向水平分量比(IR)很小，采用可變摩擦支座模型和采用雙線性支座模型時，支座和橋墩的抗震性能存在差異。當IR 為0.65時，對于邊支座：可變摩擦支座的峰值恢復力和最大變形分別是雙線性支座的2.24倍和1.19倍，且橋墩峰值受拉應變較大.
2. 連續梁橋支座應充分考慮安全系數。針對本文的連續梁橋，支座設計建議給中、邊支座的安全系數分別取為2.0和3.0;
3. 采用雙線性支座模型低估橋墩的抗震需求。對于本文案例橋梁，采用雙線性模型進行橋墩設計時，橋墩底部最大位移、最大曲率放大系數分別取為3.0和5.5;
4. 當主梁的跨度和重量分布發生變化時，支座和橋墩的安全系數可能會有所不同，應根據橋梁實際情況確定。研究發現，支座的波動大小與連續梁橋的跨度布置有關，還需進一步研究。
文章來源：ABE橋梁工程進展
展開 Jootoo博士：首次提出利用機器學習來選擇合理的橋型
這個問題，當然計算機也不知道，但是讓它從60萬座已建成的橋梁中汲取經驗，再做判斷 ，應該會給工程師提出更好的建議吧。
圖2是Jootoo研究的整體框圖，由此可見，單是數據的預處理，就要耗費整個研究至少一半的工作量。NBI數據庫中的數據龐雜，而要達到研究的需要，需要對其進行簡化。要求數據必須是在設計初期就可以得到的，畢竟橋梁選型階段是在設計之前的嘛，而且數據還要考慮到美國每個州規程有時不同的情況，還有就是，NBI數據庫中缺少對橋梁抗震和材料成本預算方面的數據 ，需要調用其他兩個開源數據庫來作為補充。
至于算法，Jootoo采用了貝葉斯分類器(Bayesian Network Classifier)，決策樹(Decision Tree)和支持向量機(Support Vector Machine)算法分別進行了計算比對，事實證明，三者均可以在橋梁選型問題上有不錯的表現。
總之，這篇文章的含金量挺高，值得一讀！
文獻來源：Jootoo A, Lattanzi D. Bridge Type Classification: Supervised Learning on a Modified NBI Data Set[J]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2017, 31(6).
展開 關于舉辦“橋梁創新技術論壇”的通知
我國橋梁建設歷經十多年的快速發展，取得了世人矚目的成就，正在由橋梁大國邁向橋梁強國，面對橋梁建設新的使命和機遇，自主創新和實施超越成為突出主題。為此，中國公路學會橋梁和結構工程分會定于2010年8月7日—9日在新疆自治區烏魯木齊市舉辦“橋梁創新技術論壇”，歡迎廣大橋梁科技工作者、建設者踴躍參加。 一、會議組織 聯合主辦：中國公路學會橋梁和結構工程分會 新疆公路規劃勘察設計研究院 株洲時代新材科技股份有限公司 承辦單位：中國比較經濟學研究會 二、會議地點及日程安排 地 點：新疆自治區 烏魯木齊市 日程安排：2010年8月6報到（機場全天接站） 8月7、8日論壇報告 8月9日 考察 三、題目及主講專家 1. 港珠澳大橋總體設計 ----中交公路規劃設計院有限公司 孟凡超 副總經理 設計大師 2. 鋼管混凝土拱橋設計、施工關鍵技術 ----重慶交通學院 顧安邦 教授 3. 橋梁抗震、減震若干新問題及其進展 ----同濟大學 李建中 教授 4. 波紋鋼管涵洞應用研究 ----中交第一公路勘察設計研究院有限公司 李祝龍 副總工 教高 5. 大跨度橋梁結構健康監測 ----西南交通大學 蒲黔輝 教授 6. 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范設計表達式可靠指標的誤差及改進’ ----清華大學 秦權 教授 7. 橋梁減隔震新技術及產品應用 ----株洲時代新材科技股份有限公司 陳彥北 博士 8. 波形鋼腹板PC箱梁橋在我國橋梁工程中的應用進展 ----東南大學交通學院 萬水 教授 博導 注：以上報告將匯編成論文集在會議上發放。
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