本發明涉及橋梁抗震領域，具體涉及一種公路橋梁結構抗震性能化設計方法。

背景技術：

1、在公路交通基礎設施建設中，橋梁作為關鍵的連接紐帶，其抗震性能直接關乎交通運輸的安全與暢通。隨著經濟社會的持續發展，公路橋梁的建設規模不斷擴大，其在地震災害下的安全性愈發受到重視。

2、傳統的公路橋梁抗震設計主要遵循現行《公路橋梁抗震設計規范》（jtg/t2231-01-2020）所采用的三水準、兩階段設計方法。其中，三水準即“小震不壞、中震可修、大震不倒”，兩階段分別為在“小震”作用下進行彈性承載力驗算和在“大震”作用下進行彈塑性變形驗算。在這種設計框架下，“小震不壞”和“大震不倒”的性能目標具有相對明確的量化參數，這使得在實際設計中較易操作和把控。然而，對于“中震可修”這一關鍵性能目標，規范僅給出了定性描述，并且在設計實踐中多依賴構造措施來實現。

3、這種傳統設計方法存在一定的局限性。從性能平衡角度來看，其普遍采用“低彈性承載力-高延性”的單一解決方案。在實際地震作用中，不同地區的地震特性、橋梁的功能需求以及結構形式等因素復雜多樣，單一的設計策略難以全面適應。例如，在一些地震頻發且地震動特性復雜的區域，僅依靠高延性設計可能無法有效保障橋梁在中震和大震下的整體性能；而在部分對橋梁功能連續性要求極高的交通樞紐處，低彈性承載力設計可能導致在中震后橋梁雖未倒塌但維修周期長，嚴重影響交通運輸效率。

4、此外，隨著橋梁建設技術的不斷發展，新型材料、復雜結構形式（如大跨度鋼-混凝土組合結構橋梁、異形拱橋等）不斷涌現，傳統設計方法在應對這些新情況時愈發顯得力不從心。對于這些新型橋梁結構，如何在不同地震水準下精確評估其抗震性能，并實現承載力與延性的合理匹配，成為亟待解決的問題。同時，在城市橋梁建設中，由于周邊環境復雜、空間受限等因素，對橋梁在地震后的可修復性和功能快速恢復能力提出了更高要求，傳統設計方法在滿足這些特殊需求方面存在明顯不足。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種公路橋梁結構抗震性能化設計方法，該方法建立一種科學、系統且具有量化指標的公路橋梁結構抗震性能化設計方法，精準實現“中震可修”等不同抗震性能目標，并且在設計流程中，全面綜合考慮橋墩高度、結構規則性、場地類型、抗震設防標準等多種因素，再通過科學的分析和論證，選用合適的抗震性能目標，并通過嚴格的設計驗證與調整，確保設計的合理性和可靠性，為公路橋梁的抗震設計提供一套完整、有效的技術手段。

2、本發明通過下述技術方案實現：

3、一種公路橋梁結構抗震性能化設計方法，該設計方法按以下步驟進行：

4、步驟1：獲取目標橋梁的基本信息，包括橋墩高度、結構類型、場地類型以及抗震設防標準；

5、步驟2：根據步驟1所獲取信息對目標橋梁進行抗震性能分析，獲取目標橋梁的抗震設防類別和地震水準；

6、步驟3：根據目標橋梁的抗震設防類別和地震水準，從預設的抗震性能目標表中選取對應的抗震性能目標；

7、步驟4：分析確定橋梁結構超過《公路橋梁抗震設計規范》確定的不規則橋梁程度和情況，用于確定場地條件、地震水準和地震動參數；

8、步驟5：根據所選用的抗震性能目標，通過對不同性能水準橋梁結構進行計算和分析論證結構能夠滿足抗震性能要求，其中，包括對不同性能水準的橋梁結構進行承載力設計計算以及對鋼混組合梁進行設計計算，根據計算結果找出橋梁結構存在的薄弱部位及需要加強的關鍵部位，對薄弱部位及關鍵部位再進行設計驗證與調整。

9、在本方案中，通過依次執行獲取橋梁基本信息、進行抗震性能分析、選取抗震性能目標、確定不規則程度及情況，以及基于所選目標進行結構計算與分析，為橋梁抗震設計提供了具有量化指標的公路橋梁結構抗震性能化設計方法；這些步驟不僅能充分考慮不同橋梁的特性、場地條件以及抗震要求，還能精準定位結構的薄弱與關鍵部位，通過設計驗證與調整，確保橋梁在不同地震水準下滿足抗震性能要求，有效解決傳統設計在“中震可修”等方面的難題，顯著提升橋梁抗震可靠性。

10、進一步優化方案，所述性能水準包括第1性能水準、第2性能水準、第3性能水準、第4性能水準及第5性能水準；

11、其中，所述第1性能水準在e1地震作用下其承載力和變形滿足現行《公路橋梁抗震設計規范》的彈性設計規范進行設計，在設防地震作用下，橋梁結構的抗震承載力滿足下式：

12、；

13、為永久作用分項系數，為永久作用標準值，為橋梁結構承載力設計值，為水平地震作用標準值的結構內力，為豎向地震作用標準值的結構內力，為水平地震作用的分項系數，為水平地震作用的分項系數；

14、所述第2性能水準在設防地震作用或e2地震作用下，塑性耗能區的抗剪承載力及關鍵構件的抗震承載力滿足公式（1-1）規定，其中，所述塑性耗能區的正截面承載力滿足下式：

15、；

16、為橋梁結構截面承載力標準值，按材料標準值計算，0.4為豎向地震作用的組合值系數；

17、所述第3性能水準在設防地震作用或e2地震作用下，關鍵構件及普通構件的正截面承載力滿足公式（1-2）規定，大跨度橋梁結構的關鍵構件正截面承載力滿足公式（1-3）的規定，部分塑性鉸區域進入屈服階段，其抗剪承載力滿足公式（1-2），其中，公式（1-3）如下：

18、；

19、0.4為水平地震作用的組合值系數；

20、所述第4性能水準在設防地震作用或e2地震作用下，部分普通構件及大部分塑性鉸區域進入屈服階段，鋼筋混凝土結構的受剪截面應滿足公式（1-4）的規定，公式（1-4）如下：

21、；

22、為重力荷載作用下構件剪力，b為矩形截面寬度或t形或i型截面腹板厚度，為縱向鋼筋合力作用點至受壓邊緣距離，為邊長為150mm的混凝土立方體抗壓強度標準值；

23、鋼-混凝土組合結構的受剪截面滿足公式（1-5）的規定，其中，公式（1-5）如下：

24、；

25、b為矩形截面寬度或t形或i型截面腹板厚度，為縱向鋼筋合力作用點至受壓邊緣距離，為鋼-混凝土組合結構鋼梁的截面面積，為地震作用標準值的構件剪力，為鋼材的強度標準值；

26、所述第5性能水準在e2地震作用下，較多的普通構件進入屈服階段，普通構件的受剪截面滿足公式（1-4）或公式（1-5）的規定，允許部分塑性耗能構件發生比較嚴重的破壞，結構的彈塑性位移滿足結構最大彈塑性位移限值。

27、在本方案中，詳細地界定了從第?1?到第?5?性能水準下橋梁結構在不同地震作用時的具體設計要求，為整個抗震設計提供了精確且具有可操作性的量化標準。在各性能水準中，明確規定了諸如抗震承載力、正截面與斜截面承載力、受剪截面要求以及塑性鉸區域性能等關鍵指標的計算公式和條件，使設計人員能夠依據這些清晰的準則進行精準設計，確保橋梁結構在不同地震水準下的性能表現可預測、可控制，有力地支撐了發明所追求的具有量化指標的抗震性能化設計目標，保障橋梁在地震中的安全性與穩定性，有效彌補了傳統設計方法在精細化設計方面的不足。

28、進一步優化方案，所述第2性能水準在設防地震作用或e2地震作用時，鋼筋混凝土構件的受力和變形情況需要滿足如下標準：

29、當鋼筋混凝土構件為受彎構件，其正截面受彎承載力計算應符合下式規定：

30、；

31、為結構重力引起的彎矩，為橫向地震作用引起的彎矩，為豎向地震作用引起的彎矩，x為混凝土等效受壓區高度，為混凝土軸心抗壓強度標準值，b為矩形截面寬度或t形或i型截面腹板厚度，為縱向鋼筋合力作用點至受壓邊緣距離，為縱向普通鋼筋抗壓強度標準值，為受壓區縱向普通鋼筋截面積，為縱向普通鋼筋抗壓強度標準值，為受壓區縱向預應力筋截面積，為受壓區預應力筋合力點處混凝土法相應力等于零時預應力筋的應力，為受壓區縱向普通鋼筋至受壓區邊緣距離，為受壓區縱向預應力筋至受壓區邊緣距離。

32、在本方案中，針對第2性能水準下鋼筋混凝土受彎構件在設防地震或?e2?地震作用時的受力和變形情況，給出了明確且關鍵的正截面受彎承載力計算標準。通過引入結構重力、橫向及豎向地震作用引起的彎矩等參數，并結合混凝土等效受壓區高度的相關規定，精確量化了構件在復雜地震工況下的承載能力要求。這不僅為設計人員在該性能水準下進行鋼筋混凝土受彎構件設計提供了科學、具體的指導，確保構件設計符合抗震性能化設計的量化指標，而且有助于精確評估構件在地震中的性能表現，保障橋梁結構在相應地震作用下的整體安全性與穩定性。

33、進一步優化方案，所述混凝土等效受壓區高度x按下式進行計算：

34、；

35、x為混凝土等效受壓區高度，為混凝土軸心抗壓強度標準值，為矩形截面寬度或t形或i型截面腹板厚度，為縱向普通鋼筋抗拉強度標準值，為受拉區縱向普通鋼筋截面積，為縱向普通鋼筋抗拉強度標準值，為受拉區縱向預應力筋截面積。

36、在本方案中，通過精確界定混凝土等效受壓區高度x與鋼筋和混凝土材料性能以及構件截面幾何參數之間的數學關系，為準確計算鋼筋混凝土構件在不同受力狀態下的承載力提供了核心依據。在抗震設計過程中，特別是針對第2性能水準及其他相關性能水準的設計計算時，它能夠幫助設計人員精確評估構件在地震作用下的承載能力和變形特性，確保設計出的構件滿足預定的抗震性能要求。

37、進一步優化方案，所述鋼筋混凝土構件中的軸心受壓構件的正截面抗壓承載力應符合下式規定：

38、；

39、為結構重力引起的結構軸力，為橫向地震作用引起的結構軸力，為豎向地震作用引起的結構軸力，為混凝土軸心抗壓強度標準值，為構件毛截面面積，為縱向普通鋼筋抗壓強度標準值，為全部縱向普通鋼筋截面積，為軸壓構件穩定系數。

40、在本方案中，通過將結構重力、地震作用引起的軸力以及鋼筋和混凝土材料特性、構件的幾何參數納入公式進行計算，使得設計人員能夠依據此量化公式準確評估軸心受壓構件在不同地震水準下的抗壓能力。這不僅確保了構件設計的科學性和合理性，保障其在地震中能有效承擔壓力，維持結構的穩定性，而且為整個橋梁結構抗震性能化設計的量化體系奠定了堅實基礎。

41、進一步優化方案，當鋼筋混凝土構件為受彎構件，其斜截面抗剪承載力計算符合（2-4）～（2-7）的規定：

42、；

43、；

44、；

45、；

46、為斜截面內混凝土和箍筋共同的抗剪承載力標準值，為與斜截面相交的普通彎起鋼筋抗剪承載力標準值，為與斜截面相交的預應力彎起鋼筋抗剪承載力標準值，為結構重力引起的剪力，為地震作用引起的剪力，為異號彎矩影響系數,計算簡支梁和連續梁近邊支點梁段的抗剪承載力時,取1.0，計算連續梁和懸臂梁近中間支點梁段的抗剪承載力時，?取0.9；為預應力提高系數，對鋼筋混凝土受彎構件取1.0，對預應力混凝土受彎構件取1.25，為受壓翼緣的影響系數，對矩形截面取1.0，對t形和i形截面取1.1；b為矩形截面寬度或t形或i型截面腹板厚度，為縱向鋼筋合力作用點至受壓邊緣距離，p為斜截面內縱向受拉鋼筋的配筋百分率,p≤2.5，為斜截面內箍筋的配筋率，為斜截面內豎向預應力筋的配筋率，為箍筋的抗拉強度標準值，為豎向預應力筋的抗拉強度標準值，為普通彎起鋼筋抗拉強度標準值，為斜截面內在同一彎起平面的普通彎起鋼筋截面積，為普通彎起鋼筋切線與水平線夾角，為預應力彎起筋抗拉強度標準值，為斜截面內在同一彎起平面的預應力彎起筋截面積，為預應力彎起筋切線與水平線夾角。

47、在本方案中，綜合考慮了斜截面內混凝土和箍筋共同作用、普通彎起鋼筋以及預應力彎起鋼筋對抗剪承載力的貢獻，通過精確的數學表達式將各部分抗剪能力與構件的材料特性、幾何參數以及地震作用下產生的剪力緊密聯系起來。在公路橋梁結構抗震設計中，設計人員依據這些公式能夠精確計算受彎構件在不同地震水準下的斜截面抗剪承載力，從而合理配置箍筋、彎起鋼筋等抗剪構造，確保構件在地震作用下不會因斜截面剪切破壞而失效，有效保障了橋梁結構的整體抗震性能。

48、進一步優化方案，所述鋼混組合梁設計計算步驟包括正彎矩區段及負彎矩區段；

49、其中，在正彎矩區段中，當組合截面塑性中和軸在混凝土板內時，若滿足條件，應根據公式如下公式計算正截面抗壓承載力：

50、；

51、；

52、其中?a、be、hc?為鋼混組合梁的截面參數，mik、mehk?、mevk為相應的彎矩，并依據計算結果確定混凝土板和鋼梁的配筋及尺寸，為結構重力引起的彎矩，為橫向地震作用引起的彎矩，為豎向地震作用引起的彎矩，0.4為豎向地震作用的組合值系數，為鋼梁截面面積，x為混凝土板的受壓區高度，y為鋼梁截面合力至混凝土受壓區合力間的距離，為混凝土板的有效寬度，為混凝土軸心抗壓強度標準值。

53、在本方案中，詳細規定了其在正彎矩區段的設計計算方法，尤其是在組合截面塑性中和軸位于混凝土板內這一常見且關鍵的工況下。通過引入鋼混組合梁的截面參數和不同荷載作用下產生的彎矩，給出了精確的正截面抗壓承載力計算公式。這使得設計人員能夠依據此公式，結合實際工程中的具體參數，準確計算出鋼混組合梁在正彎矩作用下所需的抗壓能力，進而科學合理地確定混凝土板和鋼梁的配筋及尺寸。這不僅保證了鋼混組合梁在地震等復雜荷載作用下的正截面承載性能，而且為整個公路橋梁結構的抗震設計提供了關鍵的局部結構設計依據，有助于實現橋梁整體的抗震性能目標。

54、進一步優化方案,在正彎矩區段中，當組合截面塑性中和軸在混凝土板內時，若滿足條件，應根據公式如下公式計算正截面抗壓承載力：

55、；

56、；

57、為混凝土板的有效寬度，為混凝土板截面高度，為鋼梁截面受壓區高度，為鋼梁截面抗拉強度標準值，為鋼梁受拉區合力點至混凝土受壓區合力點間距，為鋼梁受拉區合力點至鋼梁受壓區合力點間距。

58、在本方案中，設計人員能夠依據實際工程數據代入計算，從而準確確定在該工況下滿足抗震性能要求的正截面抗壓承載力數值。以此為基礎，進一步確定混凝土板和鋼梁的配筋及尺寸，確保鋼混組合梁在地震作用下的正彎矩區段具備足夠的強度和穩定性，有效防止因正截面抗壓不足而導致的結構破壞。

59、進一步優化方案，在負彎矩區段中，鋼混組合梁的正截面抗壓承載力應符合公式（3-5）～（3-7）的規定：

60、；

61、為鋼梁截面塑性截面慣性矩，為鋼筋抗拉強度標準值，為組合梁的塑性中和軸至鋼筋合力點間距，為組合梁的塑性中和軸至鋼梁的塑性中和軸間距，為混凝土板中鋼筋截面面積，為鋼梁截面面積，為鋼梁截面受壓區高度。

62、在本方案中，全面考量了負彎矩作用下鋼混組合梁的力學特性，其中涉及結構重力、地震作用引起的彎矩以及鋼梁自身的塑性截面慣性矩等關鍵因素。通過精確的數學關系表達，為設計人員提供了量化計算的依據。在公路橋梁結構抗震設計過程中，依據這些公式，能夠準確評估鋼混組合梁在負彎矩區段的抗壓承載能力，從而合理設計鋼梁與混凝土板的連接構造、配筋方式等，確保鋼混組合梁在地震等復雜荷載工況下的負彎矩區段結構安全，有效防止因抗壓不足引發的破壞。

63、進一步優化方案，在設計驗證與調整步驟中還包括如下步驟：

64、s51.通過有限元分析軟件對設計完成的橋梁結構進行地震響應分析，在分析過程中輸入符合場地條件和抗震設防要求的地震波，全面模擬橋梁在不同地震水準作用下的受力、變形和破壞情況，以驗證是否滿足選定的抗震性能目標；

65、s52.若在驗證過程中發現結構存在薄弱環節或不滿足性能要求的部位，對設計進行優化調整，調整后應再次進行驗證分析，直至結構完全滿足抗震性能化設計要求。

66、在本方案中，s51?步驟利用有限元分析軟件進行地震響應分析，輸入符合實際場地與設防要求的地震波，能精確模擬橋梁在不同地震水準下的真實狀態，從而為判斷是否達成選定的抗震性能目標提供科學、直觀的依據。s52?步驟則針對驗證中出現的薄弱或不達標部位進行優化調整，并反復驗證，形成閉環流程。這確保了橋梁設計從理論計算到實際性能的有效銜接，彌補了可能存在的設計缺陷，極大地提高了橋梁抗震設計的可靠性與精準性，有力推動了具有量化指標的抗震性能化設計目標的實現。

67、本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：

68、本發明建立了科學、系統且具量化指標的抗震性能化設計方法，精準實現?“中震可修”?等不同抗震性能目標。在設計流程中，全面綜合橋墩高度、結構規則性等多種因素，通過嚴謹分析選取合適目標，并利用精確計算和驗證調整確保設計合理可靠。針對不同性能水準橋梁結構及鋼混組合梁均有詳細設計計算準則，克服了傳統設計單一策略的局限，能更好適應復雜地震特性、橋梁功能需求及新型結構形式，有效提升公路橋梁結構在地震中的安全性與穩定性。