斜张桥的抗震问题
2010-12-23
现代斜张桥的抗震问题早在70年代就已受到关注，美国1978年建成的帕斯卡-开讷维克（Pasco-Kenewick）预应力混凝土斜张桥位于强震区，它是典型的三跨斜张桥。主梁在塔柱位置，无竖向支承，仅有侧向约束，锚固墩上，一端为固定支座，另一端设置伸缩缝。当遭遇超过抗震设计要求的纵向地面加速度的强烈地震时，设在固定支座上的钢杆就被剪断，此时主梁仅由拉索悬挂于塔上，在地震荷载作用下，主梁呈纵向悬浮状，在悬浮过程中消耗了能量，加大了振动周期，减小了结构的反应，这就是现在应用十分广泛的“悬浮体系”。它的减震作用是明显的，但结构的纵向位移也是相当可观的。这种设计构思很快被世界各国桥梁工程师接受，在我国地震地区大部分斜张桥都设计为悬浮体系。
由于现代斜张桥的历史还不长，遇到强震的情况很少，因此对斜张桥的震害报道，除了在1995年阪神地震中一座主跨485m钢斜张桥，边墩上的钢摇轴栓钉脱落外，尚未见到其他报导和调查资料，这座斜张桥它的主桥结构在地震后还是完好无损。其原因可归结为二方面，一方面斜张桥是一种长周期的柔性结构，地震荷载作用下内力反应一般不起控制作用而由位移控制；另一方面是随着大跨度桥梁的发展，人们对结构的抗震越来越重视，对大型结构的抗震性能要求作专题研究，以确保结构的安全性。而且近年来经历了多次强震后，如1906年美国旧金山大地震（M8.3）、1923年关东大地震（M8.2）等等，从这些大地震中的结构震害，使人们对以前的抗震设计方法进行了反思，对以前的抗震设计规范进行修改。有人说地震设计的历史也就是地震的灾难史，确实如此。本文将简要介绍各国桥梁抗震规范中的设计思想以及主要的设计方法。
1、各国桥梁抗震规范简介
目前世界各国的桥梁抗震设计规范除了欧洲规范（8）第二部分（桥梁）中说明此规范也适用于斜张桥，以及美国土木工程学会斜张桥委员会在90年代编制的斜张桥设计指南中，有斜张桥抗震设计的若干规定外，其他国家都还没有专门针对斜张桥的抗震设计规范，1971年我国颁发了铁路工程抗震设计规范，1977年颁发了公路工程抗震设计规范。1976年唐山大地震大大推动了桥梁抗震研究工作的迅速开展，铁道部和交通部组织了科研班子，于80年代对这二本规范进行了修改。修改后的规范还是仅适用于跨径不超过150m的钢筋混凝土和预应力混凝土梁桥、圬工或钢筋混凝土拱桥，不包括特大跨度桥梁。194欧洲标准化委员会通过了欧洲规范（8）第二部分（桥梁）的试行版，1997年进行修订后作为正式规范执行。日本抗震设计要求是由日本道路协会作为道路设计规范（道路示方书）中的第五部分“耐震设计篇”中提出的，最近的版本为1990年，但由于在1995年阪神地震中许多桥梁不能令人满意的表现，这个版本也在修订中。在完成修订前，日本道路协会的下属公路桥梁抗震措施委员会已经发表了一些试验性的修订设计准则，这些准则发表于1996年6月，题为“阪神地震毁损公路桥梁的重建及修复指导说明”。新西兰在桥梁设计手册“抗震设计”中给出了设计步骤，该手册于1994年提出、并于1995年6月作了更新。当前，美国有两部桥梁设计标准都包含地震设计条文，且都是由AASHTO协会颁布的。第一部以容许应力为基础，题为“公路桥梁设计标准”（AASHTO，1992），抗震设计内容在I-A部分。第二部是建立在极限状态理论基础上，题为“LRFD桥梁设计标准”（AASHTO，1994），要求地震荷载反应与其它荷载效应如风荷载、冲刷荷载、冰荷载及船撞力等都包含在不同的章节中。第一版于1994年颁布、1995年修订。加州运输部（Caltrans）也制订了一套与AASHTO规范相似但不完全相同的独立的规范，这套规范作为“桥梁设计规范”的一部分公布，并由“设计者备忘录”作了必要的补充（Caltrans，1995）。由于在1989年LomaPrieta地震中旧金山海湾地区许多主要桥梁表现出的无法让人接受的震害，加州运输部要求其应用技术委员会（ATC）对设计标准和步骤进行彻底的修改，这次修改已经完成，并且其最终报告中许多建议已被加州运输部采纳。
2、桥梁抗震设计思想
在以上各国的抗震规范中，其共同点是在强震情况下不容许出现坍塌，但一定程度的损坏是可以接受的，即我们所说的“大震不倒，中震可修”，AASHTO规范中定义了可接受的破坏程度，即指柱子中的挠曲屈服（没有剪力破坏），而且此破坏必须是可以检测及修复的（在地面及水平线以上），所有其它的破坏（指基础、桥台、剪力键、连接构造、支座、上部结构的梁及桥面板的破坏）都是不能接受的。这一定义被其它规范广泛采用，尤其在挠曲破坏的类型方面。然而一些规范放松了对位置的要求，特别是容许在桩身、桩排架、桥台台背翼墙处的屈服。对强震的定义，即使在AASHTO规范中都很模糊，但一般认为是475年一遇的地震可称为强震。在频繁出现但规模小得多的情况下，要求桥梁基本上保持弹性运营状态（无破坏），对于这种状态没有特别的校核规定。?明确要求或最起码部分要求双水准设计的规范有日本规范、Caltrans/ATC修正规范，所谓双水准设计即“中震”作用下的截面承载能力设计和“强震”作用下的变形能力设计。每种情况都为二个不同的重现期定义了二套地震荷载，而且对桥梁在二种荷载情况下的性能作了明确的检验标准。在加州运输部的规范中，对重要桥梁和一般桥梁在功能性评估地震（发生概率30%～40%）和安全性评估地震（现场可能发生的最大强度地震，重现期为1000年）作用下，可接受的破坏程度和使用状态作了定性的规定。除日本外，所有规范的设计思想都是一种能力设计，最近美国应用技术委员会完成了一个科研项目（ATC-18），查阅了世界各国公路工程抗震设计规范，并提出了改进美国公路桥梁抗震设计规范的若干建议，其中最主要的建议是要采用两个水平的抗震设计方法。一般认为要求桥梁在强震时处于弹性状态是不经济的，而非弹性状态是不可避免的，结构的极限承载能力用来将构件的内力限制在规定值内，然而相应的结构位移要求可能比较高，可能发生的特殊构件延性要求（如塑性铰的转动），都需要对塑性铰附近作专门的设计，以防止塑性铰的破坏和结构的倒塌。所有基于能力设计的地震规范的一个共同特征是对构件细节的关心，以确保结构进入塑性变形后的整体性。历次地震中发生的桥梁震害使人们认识到，要提高桥梁抗震能力不能单纯依靠结构的强度，同时对增强结构的延性（变形能力）也应给予充分重视，从各国规范修订中可以看到抗震设计的方法正从传统的强度理论向延性抗震理论过渡。?我国现行的桥梁抗震设计规范还很不完善，无论是铁路桥或公路桥，还是采用基于强度设防基础上的设计方法，即根据折减后的弹性地震反应进行抗震设计，而结构的延性要求没有明确规定，仅从墩柱的箍筋配筋率及构造方面提出要求，以保证结构的延性。因此对我国现行震规进行修订和补充，使其提高到一个新的先进水平已是刻不容缓。同济大学土木工程防灾国家重点实验室桥梁抗震学科组在范立础教授带领下进行桥梁抗震研究工作已有20余年，研究的内容包括大跨度桥梁、城市立交及城市高架桥的抗震设计方法，桥梁的减隔震设计以及相应的计算机软件的编制。90年代初在上海南浦大桥的抗震设计中，首次提出了二水平的抗震设计方法。之后，用同样方法先后对20余座大桥、城市立交桥和城市高架桥进行了抗震研究，20余年来积累了很多科研成果，对桥梁抗震的设计思想也日趋成熟。在此基础上于1998年开始，范立础教授将正式主持“城市桥梁抗震设计规范”的制订工作。?减震和隔震设计思想是利用材料或装置的耗能性能，达到减小结构地震反应的目的，是一种经济有效的方法。近年来世界各国在结构的减隔震设计方面也做了很多研究，如弹性支座隔震体系是目前能采用的最简单的隔震方法，其中普通板式橡胶支座构造简单、性能稳定，已在桥梁上广泛应用，法国跨度320m的伯劳东纳（Brotonne）预应力混凝土斜张桥的两个塔墩顶上各用了12块橡胶支座，该桥已通车20年，使用情况良好。另外几种具有耗能装置的橡胶支座也已有了研究成果，如新西兰学者在1975年研制的铅芯橡胶支座，我国袁万城博士研制的利用弧形钢板条耗能的橡胶减震支座等。聚四氟乙烯滑动支座是另一种应用得较多的隔震支座。通过选择适当的减隔震装置与设置位置来达到控制结构内力大小和分布的目的。目前，减隔震和结构控制已成为工程抗震的热点之一，在第9、10、11届世界地震工程会议上，减隔震和结构控制被列为对未来地震工程有重要影响的先进技术。
3、桥梁抗震设计方法
常用的结构抗震设计方法有震度法和动态分析法两种，动态分析法中又包括反应谱法和时程分析法。?早期的地震反应分析大多采用震度法，它假设结构物各部分与地震动具有相同的振动，并把结构在地面运动加速度作用下的惯性力视作静力作用于结构物上做抗震验算。惯性力的计算公式为：
式中，W为结构物重量，K为地面运动加速度峰值与重力加速度g的比值。此法计算简单，但忽略了结构物本身的动力特性，因此会导致对结构抗震能力的错误判断。?动态分析法比震度法有了较大的改进，它同时考虑了地面运动和结构的动力特性。其中反应谱方法中一个重要概念是动力放大系数，或称标准化反应谱。其定义为：
β（ω，ξ）=|U+Ug|max/Ug，max
式中，右端项的分子为单质点体系动力反应的绝对加速度反应，分母为地面加速度反应的峰值。?应用反应谱计算结构地震反应，首先要计算结构的动力特性和各阶振型参与系数，然后按各阶振型对某项反应的贡献程度进行线性叠加，得到这项反应的最大值。我国“震规”中的验算方法就是建立在反应谱理论的基础上的，但反应谱理论在大跨度桥梁抗震验算上的应用还存在一些问题，如“震规”中加速度反应谱，或桥址场地设计加速度反应谱的适用范围大都在5s以内，而大跨度桥梁是长周期结构，它们的基本周期大都大于5s，在长周期范围动力放大系数β的取值对大跨度桥梁的地震反应的准确性至关重要。项海帆教授早在八十年代初就对公路工程抗震设计规范中的反应谱提出了长周期部分的修正意见，王君杰副教授也提出了“长周期地震反应谱的取值和规范化应以强震记录位移反应谱的统计结果为依据”的观点，并以此为基础提出了对当前公路工程抗震设计规范中的反应谱的长周期部分的修正和补充方法，增加了表达长周期地震反应谱特性的参数；其次大跨度桥梁地震反应组合中，如何考虑地震动的空间变化也是一个需要考虑的问题，因为对于大跨度桥梁，地震动的空间变化效应是不可忽略的。另一个在大跨度桥梁抗震分析中需要解决的问题，就是在多分量地震动作用下振型组合问题，目前常用的组合方法有SUM法（最大值绝对值之和法）、SRSS法（最大值平方和的平方根法）、CQC法（基于平稳随机振动理论导出的完全二次组合法）等。由于CQC方法计入了振型间的相关性，较好地考虑了密集振型间的强耦合性，而大跨度桥梁的动力特性具有自振周期长、频率密集和阻尼较小的特点，因此CQC方法对大跨度桥梁的地震反应分析更为适用。除此以外，在反应谱分析中给出的反应值基本上还是弹性反应，不能做到真正的非线性分析。总之，反应谱方法在大跨度桥梁的方案设计阶段，对结构的抗震性能进行粗略的评估还是可行的，但是对于重要结构或大跨度桥梁的地震反应分析则应进行专题研究。?目前大跨度桥梁的抗震设计流程如图1所示。
相关流程图中一个很重要的步骤，就是在桥址地震危险性分析的基础上，进行结构的时程反应分析，这在大多数工程抗震设计规范中都提出了这一要求。时程分析法与反应谱法相比具有能进行结构的非线性地震反应分析、考虑复杂场地的非一致激励影响、能给出任意截面（或结点）的任意一种反应的时间历程等特点，而这些方面在大跨度桥梁地震反应分析中是必须考虑的。但在进行时程分析时也应该注意到地震波选用的随机性，因为地震是一个随机事件，它发生的时间、空间、强度、频谱成分、波形等等都是不确定的。而时程分析法还是一个确定性分析法，它是根据地震危险性分析中的人工地震波作为分析依据。所以，为了提高分析结果的可靠性，一般要求在同一钻孔位置给出一组（一般3～5条）地震波，然后取各条地震波反应的最大值。?用动力可靠度理论进行结构在风载、地震荷载作用下的安全性评估也是近年来各国学者研究的热点。它以概率的形式来评价结构的安全程度，与确定性分析方法相比又前进了一步，它的研究说明人们在地震对结构的作用以及如何确保结构的安全、功能和经济方面的认识正在逐步提高。
