公路兼城市道路桥梁抗震设计对比分析

公路兼城市道路桥梁抗震设计对比分析

韩丽丽1杨俊峰1

（1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司 河南郑州 450000）

摘要

公路和城市道路桥梁的抗震设计是确保桥梁在地震发生时能够安全运行的重要考虑因素。这两种桥梁在抗震设计中有许多共同之处，例如考虑地震加速度、地震响应谱和桥梁的动力特性。然而，由于其不同的功能和使用环境，公路桥梁和城市道路桥梁的抗震设计也存在一些差异。对于公路桥梁而言，重点通常放在保证交通流畅和减少维修时间上，因此设计更加注重桥梁的韧性和恢复能力。城市道路桥梁则需要考虑更多的因素，如承载能力、与城市基础设施的协调和人员疏散等。因此，城市道路桥梁的抗震设计可能需要更高的安全系数和更复杂的分析方法。综上所述，公路和城市道路桥梁的抗震设计在一些方面相似，但也有一些区别，需要根据其功能和使用环境进行相应的考虑和分析。

关键词：公路；城市道路；桥梁；抗震设计

引言

在现代社会中，公路和城市道路桥梁扮演着重要的角色，为人们提供便捷的交通和连通城市的关键通道。然而，地震作为一种常见的自然灾害，对桥梁的安全性和可靠性提出了严峻的挑战。为了保护人们的生命和财产安全，抗震设计成为公路和城市道路桥梁设计中至关重要的一环。本文旨在对公路和城市道路桥梁的抗震设计进行比较分析，探讨它们在共同和差异方面的特点。通过深入了解两者的抗震设计原则和考虑因素，我们可以更好地理解如何在地震中保证桥梁的稳定性和安全性，为未来的桥梁设计和工程提供有益的指导和启示。

1.项目概况

本桥是一座混凝土大箱梁桥，其跨度为41米+50米+41米，每端边线为一单跨简支梁，其计算结果见图1。在桥梁的断面上，使用了现浇式的大箱梁，梁高2m，墩高在32.4～34.4m之间，桥的宽度在16m左右，每一承台下都设置了8根钻孔灌注桩。

图1跨径布置图（单位：m）

桥梁延性设计时，需对桥墩等延性构件和承载力构件（固定支座、桩基等）进行验算。在此基础上，重点对公路和城市道路地震反应进行了细致的对比，并结合两种规范中的地震反应，对两种标准体系下的地震反应特性和地震反应特性进行了定量的研究，从而为常规桥梁的地震反应提供理论依据和技术支持。

2.抗震设计比较

2.1抗震性能设计标准

考虑到该项目抗震设防强度的VII级（以《公路桥梁抗震设计规范》中的定义为例），属B类桥梁。所以，如果本桥仅考虑的地震影响，其地震响应为,其中和为方向X和Y水平地震作用产生的最大效应。该桥采用混凝土结构，阻尼比为0.05。

从图2可以看出，在加速响应谱方面，城市道路响应谱周期在6秒内被切断，公路响应谱在10秒内被切断；在同样的情况下，城路和公路的响应谱板的宽度是一致的，在E1级地震下城路和公路的响应谱板的高度基本一致，在E2级地震下城路的响应谱板的高度显著高于公路；在E1和E2两种类型的地震中，城市道路的反应谱都大于道路，并且在E2类型的地震中，城市道路的反应谱增大的幅度要大于公路；在E1级地震时，城路桥梁的纵向与横向基本周期所对应的响应谱是公路桥梁的1.19与1.06，而在E2级地震时，城路桥梁的纵向与横向基本周期所对应的响应谱是公路的1.83与1.3。

图２ 水平加速度反应谱比较

2.2公路桥梁抗震设计标准

根据《公路桥梁抗震设计规范》的规定，该工程的公路级别为一级公路，其水平方向的设计加速度响应谱的取值情况为：

                   （1）

其中，代表周期；是在响应波峰上的最大时间间隔，选取0.1秒；为特征周期（S），是最大的加速响应频谱（g）。

其中反应谱最大值为：

      （2）

公式中：是地震系数的重要性。为位置系数；为阻抗系数；A是水平加速度峰值是基本地面运动。

表1公路桥梁抗震设计参数取值

2.3城市桥梁抗震设计标准

根据《公路桥梁抗震设计规范》的规定，该工程的公路级别为一级公路，其水平方向的设计加速度响应谱的取值情况为：

     （3）

公式中：表示阻尼调节因子，表示曲线的衰减指数；是坡度调节因子；其他指标的计算方法参照《公路桥梁抗震设计规范》的规定。

在这里，最大的反应频谱=2.25 a （在此，A的值应该考虑到校正因子）。

表2城市桥梁抗震设计参数取值

3.对比结果与分析

3.1 E1地震下的墩柱抗弯强度验算比较

表3给出了两种规范对E1地震作用下桥墩抗弯承载力的校核结果，并作了对比。从表中可以看出，由于两个规范的设计反应谱值的差异，使得在抗弯能力基本一致的情况下，按城市道路计算的弯矩需求略大于按公路计算的弯矩需求。

表3 E1地震下墩柱抗弯强度验算

3.2 E2地震下的墩柱变形能力验算比较

表4列出了在E2地震下，按两本规范进行的桥墩位移能力验算结果，并进行了比较

表4 E2地震下墩柱位移能力验算

而对于规格桥梁，两种规范均采用先将延性构件截面改变为当量刚度，再用反应谱法求其弹性变形，再将其修改为弹塑性变形。但在两个标准中，校正系数的计算方式不同。

城路计算公式：

            （4）

公路计算公式：

               （5）

公式中：为墩柱构件的延性系数，通常取3；是响应谱的特征周期，可以看出，两个标准都使用了等位移标准，但是，对长周期的定义是不同的，公路是，城市道路是；但就中、短期结构而言，在城市道路上所得到的结果要大于在道路上所得到的结果。在E2地震作用下，桥梁纵向结构的自振周期为4.83秒，横向结构的自振周期为3.23秒，都是一个较长的周期，因此，位移校正系数取1。两种规范中的位移需求均可直接采用弹性位移，采用反应谱法进行计算，因设计反应谱差异，城市道路纵、横向位移需求分别为道路的2.12、1.30。

3.3位移延性系数对钢筋混凝土桥墩抗震性能的影响

结构的延性理论主要是指从结构上的受力状态到其截面的最大承载力这段时间内所发生的变形。这样的变形能力可以确保结构的强度不会因为出现非弹性变形而显著下降，并且在变形期间，结构总是用自己的性质来抵抗外力（图3）。由于受强震影响，结构的延性将受到影响，所以在进行延性抗震设计时，需对其延性系数设定一个安全储备。目前《公路桥梁抗震设计规范》 JTG/T2231-01-2020将位移延性系数确定为地震作用下的延性量化指标，并将其定义为构件的变形量与其屈服变形的比值。

           （6）

式中：为桥墩构件在同一桥墩塑性铰截面上，反弯点处的水平屈服位移；是桥墩构件所需的最高应变量，则为桥墩反弯点以及塑性铰断面的最高水平应变量；是桥墩构件的塑性位移要求，是桥墩构件在反弯点处相对于桥墩塑性铰区的最大塑性位移。

通过构建不同轴压比（轴压比分别为0.10,0.15,0.20,0.25,0.30）以及不同配筋率（配筋率分别为0.80%,1.03%,1.29%）的桥墩有限元模型，并分别求解桥墩位移延性系数，从而构建出一条如图4所示的关系曲线。

图3墩柱变形示意

图4不同轴压比对应配筋率

从图4可以看出，在相同轴压比的情况下，随着配筋比例的增加，位移塑性系数降低，且降低的幅度逐渐减小；根据传统的矩形桥墩配筋统计，其合理配筋比例约为1.3%，略大于圆截面桥墩；并依据 JTG/T2231-01-20 《公路桥梁抗震设计规范》中所建议的轴压比，对矩形桥墩的变形延性系数应取4~5，以提高其抗震性能。

4.结语

公路和城市道路桥梁的抗震设计具有共同的基本原则，如考虑地震力、地震响应谱和桥梁的动力特性。然而，由于其不同的功能和使用环境，两者在抗震设计上也存在一些区别。公路桥梁设计注重韧性和恢复能力，以确保交通畅通和减少维修时间。而城市道路桥梁除了抗震性能外，还需要考虑人员疏散、承载能力和与城市基础设施的协调。因此，城市道路桥梁的抗震设计可能需要更高的安全系数和更复杂的分析方法。

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