斜張橋的抗震問題
2010-12-23
現(xiàn)代斜張橋的抗震問題早在70年代就已受到關(guān)注，美國1978年建成的帕斯卡-開訥維克（Pasco-Kenewick）預(yù)應(yīng)力混凝土斜張橋位于強(qiáng)震區(qū)，它是典型的三跨斜張橋。主梁在塔柱位置，無豎向支承，僅有側(cè)向約束，錨固墩上，一端為固定支座，另一端設(shè)置伸縮縫。當(dāng)遭遇超過抗震設(shè)計要求的縱向地面加速度的強(qiáng)烈地震時，設(shè)在固定支座上的鋼桿就被剪斷，此時主梁僅由拉索懸掛于塔上，在地震荷載作用下，主梁呈縱向懸浮狀，在懸浮過程中消耗了能量，加大了振動周期，減小了結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，這就是現(xiàn)在應(yīng)用十分廣泛的“懸浮體系”。它的減震作用是明顯的，但結(jié)構(gòu)的縱向位移也是相當(dāng)可觀的。這種設(shè)計構(gòu)思很快被世界各國橋梁工程師接受，在我國地震地區(qū)大部分斜張橋都設(shè)計為懸浮體系。
由于現(xiàn)代斜張橋的歷史還不長，遇到強(qiáng)震的情況很少，因此對斜張橋的震害報道，除了在1995年阪神地震中一座主跨485m鋼斜張橋，邊墩上的鋼搖軸栓釘脫落外，尚未見到其他報導(dǎo)和調(diào)查資料，這座斜張橋它的主橋結(jié)構(gòu)在地震后還是完好無損。其原因可歸結(jié)為二方面，一方面斜張橋是一種長周期的柔性結(jié)構(gòu)，地震荷載作用下內(nèi)力反應(yīng)一般不起控制作用而由位移控制；另一方面是隨著大跨度橋梁的發(fā)展，人們對結(jié)構(gòu)的抗震越來越重視，對大型結(jié)構(gòu)的抗震性能要求作專題研究，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。而且近年來經(jīng)歷了多次強(qiáng)震后，如1906年美國舊金山大地震（M8.3）、1923年關(guān)東大地震（M8.2）等等，從這些大地震中的結(jié)構(gòu)震害，使人們對以前的抗震設(shè)計方法進(jìn)行了反思，對以前的抗震設(shè)計規(guī)范進(jìn)行修改。有人說地震設(shè)計的歷史也就是地震的災(zāi)難史，確實(shí)如此。本文將簡要介紹各國橋梁抗震規(guī)范中的設(shè)計思想以及主要的設(shè)計方法。
1、各國橋梁抗震規(guī)范簡介
目前世界各國的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范除了歐洲規(guī)范（8）第二部分（橋梁）中說明此規(guī)范也適用于斜張橋，以及美國土木工程學(xué)會斜張橋委員會在90年代編制的斜張橋設(shè)計指南中，有斜張橋抗震設(shè)計的若干規(guī)定外，其他國家都還沒有專門針對斜張橋的抗震設(shè)計規(guī)范，1971年我國頒發(fā)了鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范，1977年頒發(fā)了公路工程抗震設(shè)計規(guī)范。1976年唐山大地震大大推動了橋梁抗震研究工作的迅速開展，鐵道部和交通部組織了科研班子，于80年代對這二本規(guī)范進(jìn)行了修改。修改后的規(guī)范還是僅適用于跨徑不超過150m的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋、圬工或鋼筋混凝土拱橋，不包括特大跨度橋梁。194歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會通過了歐洲規(guī)范（8）第二部分（橋梁）的試行版，1997年進(jìn)行修訂后作為正式規(guī)范執(zhí)行。日本抗震設(shè)計要求是由日本道路協(xié)會作為道路設(shè)計規(guī)范（道路示方書）中的第五部分“耐震設(shè)計篇”中提出的，最近的版本為1990年，但由于在1995年阪神地震中許多橋梁不能令人滿意的表現(xiàn)，這個版本也在修訂中。在完成修訂前，日本道路協(xié)會的下屬公路橋梁抗震措施委員會已經(jīng)發(fā)表了一些試驗(yàn)性的修訂設(shè)計準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則發(fā)表于1996年6月，題為“阪神地震毀損公路橋梁的重建及修復(fù)指導(dǎo)說明”。新西蘭在橋梁設(shè)計手冊“抗震設(shè)計”中給出了設(shè)計步驟，該手冊于1994年提出、并于1995年6月作了更新。當(dāng)前，美國有兩部橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都包含地震設(shè)計條文，且都是由AASHTO協(xié)會頒布的。第一部以容許應(yīng)力為基礎(chǔ)，題為“公路橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”（AASHTO，1992），抗震設(shè)計內(nèi)容在I-A部分。第二部是建立在極限狀態(tài)理論基礎(chǔ)上，題為“LRFD橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”（AASHTO，1994），要求地震荷載反應(yīng)與其它荷載效應(yīng)如風(fēng)荷載、沖刷荷載、冰荷載及船撞力等都包含在不同的章節(jié)中。第一版于1994年頒布、1995年修訂。加州運(yùn)輸部（Caltrans）也制訂了一套與AASHTO規(guī)范相似但不完全相同的獨(dú)立的規(guī)范，這套規(guī)范作為“橋梁設(shè)計規(guī)范”的一部分公布，并由“設(shè)計者備忘錄”作了必要的補(bǔ)充（Caltrans，1995）。由于在1989年LomaPrieta地震中舊金山海灣地區(qū)許多主要橋梁表現(xiàn)出的無法讓人接受的震害，加州運(yùn)輸部要求其應(yīng)用技術(shù)委員會（ATC）對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和步驟進(jìn)行徹底的修改，這次修改已經(jīng)完成，并且其最終報告中許多建議已被加州運(yùn)輸部采納。
2、橋梁抗震設(shè)計思想
在以上各國的抗震規(guī)范中，其共同點(diǎn)是在強(qiáng)震情況下不容許出現(xiàn)坍塌，但一定程度的損壞是可以接受的，即我們所說的“大震不倒，中震可修”，AASHTO規(guī)范中定義了可接受的破壞程度，即指柱子中的撓曲屈服（沒有剪力破壞），而且此破壞必須是可以檢測及修復(fù)的（在地面及水平線以上），所有其它的破壞（指基礎(chǔ)、橋臺、剪力鍵、連接構(gòu)造、支座、上部結(jié)構(gòu)的梁及橋面板的破壞）都是不能接受的。這一定義被其它規(guī)范廣泛采用，尤其在撓曲破壞的類型方面。然而一些規(guī)范放松了對位置的要求，特別是容許在樁身、樁排架、橋臺臺背翼墻處的屈服。對強(qiáng)震的定義，即使在AASHTO規(guī)范中都很模糊，但一般認(rèn)為是475年一遇的地震可稱為強(qiáng)震。在頻繁出現(xiàn)但規(guī)模小得多的情況下，要求橋梁基本上保持彈性運(yùn)營狀態(tài)（無破壞），對于這種狀態(tài)沒有特別的校核規(guī)定。?明確要求或最起碼部分要求雙水準(zhǔn)設(shè)計的規(guī)范有日本規(guī)范、Caltrans/ATC修正規(guī)范，所謂雙水準(zhǔn)設(shè)計即“中震”作用下的截面承載能力設(shè)計和“強(qiáng)震”作用下的變形能力設(shè)計。每種情況都為二個不同的重現(xiàn)期定義了二套地震荷載，而且對橋梁在二種荷載情況下的性能作了明確的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在加州運(yùn)輸部的規(guī)范中，對重要橋梁和一般橋梁在功能性評估地震（發(fā)生概率30%～40%）和安全性評估地震（現(xiàn)場可能發(fā)生的最大強(qiáng)度地震，重現(xiàn)期為1000年）作用下，可接受的破壞程度和使用狀態(tài)作了定性的規(guī)定。除日本外，所有規(guī)范的設(shè)計思想都是一種能力設(shè)計，最近美國應(yīng)用技術(shù)委員會完成了一個科研項(xiàng)目（ATC-18），查閱了世界各國公路工程抗震設(shè)計規(guī)范，并提出了改進(jìn)美國公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的若干建議，其中最主要的建議是要采用兩個水平的抗震設(shè)計方法。一般認(rèn)為要求橋梁在強(qiáng)震時處于彈性狀態(tài)是不經(jīng)濟(jì)的，而非彈性狀態(tài)是不可避免的，結(jié)構(gòu)的極限承載能力用來將構(gòu)件的內(nèi)力限制在規(guī)定值內(nèi)，然而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移要求可能比較高，可能發(fā)生的特殊構(gòu)件延性要求（如塑性鉸的轉(zhuǎn)動），都需要對塑性鉸附近作專門的設(shè)計，以防止塑性鉸的破壞和結(jié)構(gòu)的倒塌。所有基于能力設(shè)計的地震規(guī)范的一個共同特征是對構(gòu)件細(xì)節(jié)的關(guān)心，以確保結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形后的整體性。歷次地震中發(fā)生的橋梁震害使人們認(rèn)識到，要提高橋梁抗震能力不能單純依靠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時對增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性（變形能力）也應(yīng)給予充分重視，從各國規(guī)范修訂中可以看到抗震設(shè)計的方法正從傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論向延性抗震理論過渡。?我國現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范還很不完善，無論是鐵路橋或公路橋，還是采用基于強(qiáng)度設(shè)防基礎(chǔ)上的設(shè)計方法，即根據(jù)折減后的彈性地震反應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計，而結(jié)構(gòu)的延性要求沒有明確規(guī)定，僅從墩柱的箍筋配筋率及構(gòu)造方面提出要求，以保證結(jié)構(gòu)的延性。因此對我國現(xiàn)行震規(guī)進(jìn)行修訂和補(bǔ)充，使其提高到一個新的先進(jìn)水平已是刻不容緩。同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室橋梁抗震學(xué)科組在范立礎(chǔ)教授帶領(lǐng)下進(jìn)行橋梁抗震研究工作已有20余年，研究的內(nèi)容包括大跨度橋梁、城市立交及城市高架橋的抗震設(shè)計方法，橋梁的減隔震設(shè)計以及相應(yīng)的計算機(jī)軟件的編制。90年代初在上海南浦大橋的抗震設(shè)計中，首次提出了二水平的抗震設(shè)計方法。之后，用同樣方法先后對20余座大橋、城市立交橋和城市高架橋進(jìn)行了抗震研究，20余年來積累了很多科研成果，對橋梁抗震的設(shè)計思想也日趨成熟。在此基礎(chǔ)上于1998年開始，范立礎(chǔ)教授將正式主持“城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范”的制訂工作。?減震和隔震設(shè)計思想是利用材料或裝置的耗能性能，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。近年來世界各國在結(jié)構(gòu)的減隔震設(shè)計方面也做了很多研究，如彈性支座隔震體系是目前能采用的最簡單的隔震方法，其中普通板式橡膠支座構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定，已在橋梁上廣泛應(yīng)用，法國跨度320m的伯勞東納（Brotonne）預(yù)應(yīng)力混凝土斜張橋的兩個塔墩頂上各用了12塊橡膠支座，該橋已通車20年，使用情況良好。另外幾種具有耗能裝置的橡膠支座也已有了研究成果，如新西蘭學(xué)者在1975年研制的鉛芯橡膠支座，我國袁萬城博士研制的利用弧形鋼板條耗能的橡膠減震支座等。聚四氟乙烯滑動支座是另一種應(yīng)用得較多的隔震支座。通過選擇適當(dāng)?shù)臏p隔震裝置與設(shè)置位置來達(dá)到控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小和分布的目的。目前，減隔震和結(jié)構(gòu)控制已成為工程抗震的熱點(diǎn)之一，在第9、10、11屆世界地震工程會議上，減隔震和結(jié)構(gòu)控制被列為對未來地震工程有重要影響的先進(jìn)技術(shù)。
3、橋梁抗震設(shè)計方法
常用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法有震度法和動態(tài)分析法兩種，動態(tài)分析法中又包括反應(yīng)譜法和時程分析法。?早期的地震反應(yīng)分析大多采用震度法，它假設(shè)結(jié)構(gòu)物各部分與地震動具有相同的振動，并把結(jié)構(gòu)在地面運(yùn)動加速度作用下的慣性力視作靜力作用于結(jié)構(gòu)物上做抗震驗(yàn)算。慣性力的計算公式為：
式中，W為結(jié)構(gòu)物重量，K為地面運(yùn)動加速度峰值與重力加速度g的比值。此法計算簡單，但忽略了結(jié)構(gòu)物本身的動力特性，因此會導(dǎo)致對結(jié)構(gòu)抗震能力的錯誤判斷。?動態(tài)分析法比震度法有了較大的改進(jìn)，它同時考慮了地面運(yùn)動和結(jié)構(gòu)的動力特性。其中反應(yīng)譜方法中一個重要概念是動力放大系數(shù)，或稱標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)譜。其定義為：
β（ω，ξ）=|U+Ug|max/Ug，max
式中，右端項(xiàng)的分子為單質(zhì)點(diǎn)體系動力反應(yīng)的絕對加速度反應(yīng)，分母為地面加速度反應(yīng)的峰值。?應(yīng)用反應(yīng)譜計算結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，首先要計算結(jié)構(gòu)的動力特性和各階振型參與系數(shù)，然后按各階振型對某項(xiàng)反應(yīng)的貢獻(xiàn)程度進(jìn)行線性疊加，得到這項(xiàng)反應(yīng)的最大值。我國“震規(guī)”中的驗(yàn)算方法就是建立在反應(yīng)譜理論的基礎(chǔ)上的，但反應(yīng)譜理論在大跨度橋梁抗震驗(yàn)算上的應(yīng)用還存在一些問題，如“震規(guī)”中加速度反應(yīng)譜，或橋址場地設(shè)計加速度反應(yīng)譜的適用范圍大都在5s以內(nèi)，而大跨度橋梁是長周期結(jié)構(gòu)，它們的基本周期大都大于5s，在長周期范圍動力放大系數(shù)β的取值對大跨度橋梁的地震反應(yīng)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。項(xiàng)海帆教授早在八十年代初就對公路工程抗震設(shè)計規(guī)范中的反應(yīng)譜提出了長周期部分的修正意見，王君杰副教授也提出了“長周期地震反應(yīng)譜的取值和規(guī)范化應(yīng)以強(qiáng)震記錄位移反應(yīng)譜的統(tǒng)計結(jié)果為依據(jù)”的觀點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)提出了對當(dāng)前公路工程抗震設(shè)計規(guī)范中的反應(yīng)譜的長周期部分的修正和補(bǔ)充方法，增加了表達(dá)長周期地震反應(yīng)譜特性的參數(shù)；其次大跨度橋梁地震反應(yīng)組合中，如何考慮地震動的空間變化也是一個需要考慮的問題，因?yàn)閷τ诖罂缍葮蛄?，地震動的空間變化效應(yīng)是不可忽略的。另一個在大跨度橋梁抗震分析中需要解決的問題，就是在多分量地震動作用下振型組合問題，目前常用的組合方法有SUM法（最大值絕對值之和法）、SRSS法（最大值平方和的平方根法）、CQC法（基于平穩(wěn)隨機(jī)振動理論導(dǎo)出的完全二次組合法）等。由于CQC方法計入了振型間的相關(guān)性，較好地考慮了密集振型間的強(qiáng)耦合性，而大跨度橋梁的動力特性具有自振周期長、頻率密集和阻尼較小的特點(diǎn)，因此CQC方法對大跨度橋梁的地震反應(yīng)分析更為適用。除此以外，在反應(yīng)譜分析中給出的反應(yīng)值基本上還是彈性反應(yīng)，不能做到真正的非線性分析。總之，反應(yīng)譜方法在大跨度橋梁的方案設(shè)計階段，對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行粗略的評估還是可行的，但是對于重要結(jié)構(gòu)或大跨度橋梁的地震反應(yīng)分析則應(yīng)進(jìn)行專題研究。?目前大跨度橋梁的抗震設(shè)計流程如圖1所示。
相關(guān)流程圖中一個很重要的步驟，就是在橋址地震危險性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的時程反應(yīng)分析，這在大多數(shù)工程抗震設(shè)計規(guī)范中都提出了這一要求。時程分析法與反應(yīng)譜法相比具有能進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析、考慮復(fù)雜場地的非一致激勵影響、能給出任意截面（或結(jié)點(diǎn)）的任意一種反應(yīng)的時間歷程等特點(diǎn)，而這些方面在大跨度橋梁地震反應(yīng)分析中是必須考慮的。但在進(jìn)行時程分析時也應(yīng)該注意到地震波選用的隨機(jī)性，因?yàn)榈卣鹗且粋€隨機(jī)事件，它發(fā)生的時間、空間、強(qiáng)度、頻譜成分、波形等等都是不確定的。而時程分析法還是一個確定性分析法，它是根據(jù)地震危險性分析中的人工地震波作為分析依據(jù)。所以，為了提高分析結(jié)果的可靠性，一般要求在同一鉆孔位置給出一組（一般3～5條）地震波，然后取各條地震波反應(yīng)的最大值。?用動力可靠度理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)在風(fēng)載、地震荷載作用下的安全性評估也是近年來各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)。它以概率的形式來評價結(jié)構(gòu)的安全程度，與確定性分析方法相比又前進(jìn)了一步，它的研究說明人們在地震對結(jié)構(gòu)的作用以及如何確保結(jié)構(gòu)的安全、功能和經(jīng)濟(jì)方面的認(rèn)識正在逐步提高。
