斜張橋的抗震問(wèn)題
2010-12-23
現(xiàn)代斜張橋的抗震問(wèn)題早在70年代就已受到關(guān)注，美國(guó)1978年建成的帕斯卡-開(kāi)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(wú)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(guò)抗震設(shè)計(jì)要求的縱向地面加速度的強(qiáng)烈地震時(shí)，設(shè)在固定支座上的鋼桿就被剪斷，此時(shí)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(guò)程中消耗了能量，加大了振動(dòng)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(jì)構(gòu)思很快被世界各國(guó)橋梁工程師接受，在我國(guó)地震地區(qū)大部分斜張橋都設(shè)計(jì)為懸浮體系。
由于現(xiàn)代斜張橋的歷史還不長(zhǎng)，遇到強(qiáng)震的情況很少，因此對(duì)斜張橋的震害報(bào)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(jiàn)到其他報(bào)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(wú)損。其原因可歸結(jié)為二方面，一方面斜張橋是一種長(zhǎng)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(duì)結(jié)構(gòu)的抗震越來(lái)越重視，對(duì)大型結(jié)構(gòu)的抗震性能要求作專(zhuān)題研究，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。而且近年來(lái)經(jīng)歷了多次強(qiáng)震后，如1906年美國(guó)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(duì)以前的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了反思，對(duì)以前的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行修改。有人說(shuō)地震設(shè)計(jì)的歷史也就是地震的災(zāi)難史，確實(shí)如此。本文將簡(jiǎn)要介紹各國(guó)橋梁抗震規(guī)范中的設(shè)計(jì)思想以及主要的設(shè)計(jì)方法。
1、各國(guó)橋梁抗震規(guī)范簡(jiǎn)介
目前世界各國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范除了歐洲規(guī)范（8）第二部分（橋梁）中說(shuō)明此規(guī)范也適用于斜張橋，以及美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)斜張橋委員會(huì)在90年代編制的斜張橋設(shè)計(jì)指南中，有斜張橋抗震設(shè)計(jì)的若干規(guī)定外，其他國(guó)家都還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)斜張橋的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，1971年我國(guó)頒發(fā)了鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，1977年頒發(fā)了公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。1976年唐山大地震大大推動(dòng)了橋梁抗震研究工作的迅速開(kāi)展，鐵道部和交通部組織了科研班子，于80年代對(duì)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(guò)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(huì)通過(guò)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(jì)要求是由日本道路協(xié)會(huì)作為道路設(shè)計(jì)規(guī)范（道路示方書(shū)）中的第五部分“耐震設(shè)計(jì)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(mǎn)意的表現(xiàn)，這個(gè)版本也在修訂中。在完成修訂前，日本道路協(xié)會(huì)的下屬公路橋梁抗震措施委員會(huì)已經(jīng)發(fā)表了一些試驗(yàn)性的修訂設(shè)計(jì)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(shuō)明”。新西蘭在橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)“抗震設(shè)計(jì)”中給出了設(shè)計(jì)步驟，該手冊(cè)于1994年提出、并于1995年6月作了更新。當(dāng)前，美國(guó)有兩部橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都包含地震設(shè)計(jì)條文，且都是由AASHTO協(xié)會(huì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)”（AASHTO，1992），抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)規(guī)范”的一部分公布，并由“設(shè)計(jì)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(wú)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(huì)（ATC）對(duì)設(shè)計(jì)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(bào)告中許多建議已被加州運(yùn)輸部采納。
2、橋梁抗震設(shè)計(jì)思想
在以上各國(guó)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(shuō)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(méi)有剪力破壞），而且此破壞必須是可以檢測(cè)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(tái)、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(lèi)型方面。然而一些規(guī)范放松了對(duì)位置的要求，特別是容許在樁身、樁排架、橋臺(tái)臺(tái)背翼墻處的屈服。對(duì)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(chēng)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(yíng)狀態(tài)（無(wú)破壞），對(duì)于這種狀態(tài)沒(méi)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(jì)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(jì)即“中震”作用下的截面承載能力設(shè)計(jì)和“強(qiáng)震”作用下的變形能力設(shè)計(jì)。每種情況都為二個(gè)不同的重現(xiàn)期定義了二套地震荷載，而且對(duì)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(duì)重要橋梁和一般橋梁在功能性評(píng)估地震（發(fā)生概率30%～40%）和安全性評(píng)估地震（現(xiàn)場(chǎng)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(jì)思想都是一種能力設(shè)計(jì)，最近美國(guó)應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)完成了一個(gè)科研項(xiàng)目（ATC-18），查閱了世界各國(guó)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，并提出了改進(jìn)美國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的若干建議，其中最主要的建議是要采用兩個(gè)水平的抗震設(shè)計(jì)方法。一般認(rèn)為要求橋梁在強(qiáng)震時(shí)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(lái)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(dòng)），都需要對(duì)塑性鉸附近作專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)，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(jì)的地震規(guī)范的一個(gè)共同特征是對(duì)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(shí)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(shí)對(duì)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(guó)規(guī)范修訂中可以看到抗震設(shè)計(jì)的方法正從傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論向延性抗震理論過(guò)渡。?我國(guó)現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范還很不完善，無(wú)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(jì)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(jì)，而結(jié)構(gòu)的延性要求沒(méi)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(duì)我國(guó)現(xiàn)行震規(guī)進(jìn)行修訂和補(bǔ)充，使其提高到一個(gè)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(guó)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(jì)方法，橋梁的減隔震設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的計(jì)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(jì)中，首次提出了二水平的抗震設(shè)計(jì)方法。之后，用同樣方法先后對(duì)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(lái)積累了很多科研成果，對(duì)橋梁抗震的設(shè)計(jì)思想也日趨成熟。在此基礎(chǔ)上于1998年開(kāi)始，范立礎(chǔ)教授將正式主持“城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”的制訂工作。?減震和隔震設(shè)計(jì)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(lái)世界各國(guó)在結(jié)構(gòu)的減隔震設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的隔震方法，其中普通板式橡膠支座構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，已在橋梁上廣泛應(yīng)用，法國(guó)跨度320m的伯勞東納（Brotonne）預(yù)應(yīng)力混凝土斜張橋的兩個(gè)塔墩頂上各用了12塊橡膠支座，該橋已通車(chē)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(guó)袁萬(wàn)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(dòng)支座是另一種應(yīng)用得較多的隔震支座。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臏p隔震裝置與設(shè)置位置來(lái)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(huì)議上，減隔震和結(jié)構(gòu)控制被列為對(duì)未來(lái)地震工程有重要影響的先進(jìn)技術(shù)。
3、橋梁抗震設(shè)計(jì)方法
常用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法有震度法和動(dòng)態(tài)分析法兩種，動(dòng)態(tài)分析法中又包括反應(yīng)譜法和時(shí)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(dòng)具有相同的振動(dòng)，并把結(jié)構(gòu)在地面運(yùn)動(dòng)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(jì)算公式為：
式中，W為結(jié)構(gòu)物重量，K為地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值與重力加速度g的比值。此法計(jì)算簡(jiǎn)單，但忽略了結(jié)構(gòu)物本身的動(dòng)力特性，因此會(huì)導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力的錯(cuò)誤判斷。?動(dòng)態(tài)分析法比震度法有了較大的改進(jìn)，它同時(shí)考慮了地面運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。其中反應(yīng)譜方法中一個(gè)重要概念是動(dòng)力放大系數(shù)，或稱(chēng)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(dòng)力反應(yīng)的絕對(duì)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(jì)算結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，首先要計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和各階振型參與系數(shù)，然后按各階振型對(duì)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(guó)“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(wèn)題，如“震規(guī)”中加速度反應(yīng)譜，或橋址場(chǎng)地設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜的適用范圍大都在5s以?xún)?nèi)，而大跨度橋梁是長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，它們的基本周期大都大于5s，在長(zhǎng)周期范圍動(dòng)力放大系數(shù)β的取值對(duì)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(duì)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的反應(yīng)譜提出了長(zhǎng)周期部分的修正意見(jiàn)，王君杰副教授也提出了“長(zhǎng)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(jì)結(jié)果為依據(jù)”的觀點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)提出了對(duì)當(dāng)前公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期部分的修正和補(bǔ)充方法，增加了表達(dá)長(zhǎng)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(dòng)的空間變化也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)于大跨度橋梁，地震動(dòng)的空間變化效應(yīng)是不可忽略的。另一個(gè)在大跨度橋梁抗震分析中需要解決的問(wèn)題，就是在多分量地震動(dòng)作用下振型組合問(wèn)題，目前常用的組合方法有SUM法（最大值絕對(duì)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(dòng)理論導(dǎo)出的完全二次組合法）等。由于CQC方法計(jì)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(dòng)力特性具有自振周期長(zhǎng)、頻率密集和阻尼較小的特點(diǎn)，因此CQC方法對(duì)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(jì)階段，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行粗略的評(píng)估還是可行的，但是對(duì)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(zhuān)題研究。?目前大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
相關(guān)流程圖中一個(gè)很重要的步驟，就是在橋址地震危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的時(shí)程反應(yīng)分析，這在大多數(shù)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中都提出了這一要求。時(shí)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(chǎng)地的非一致激勵(lì)影響、能給出任意截面（或結(jié)點(diǎn)）的任意一種反應(yīng)的時(shí)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(shí)程分析時(shí)也應(yīng)該注意到地震波選用的隨機(jī)性，因?yàn)榈卣鹗且粋€(gè)隨機(jī)事件，它發(fā)生的時(shí)間、空間、強(qiáng)度、頻譜成分、波形等等都是不確定的。而時(shí)程分析法還是一個(gè)確定性分析法，它是根據(jù)地震危險(xiǎn)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(dòng)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(píng)估也是近年來(lái)各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。它以概率的形式來(lái)評(píng)價(jià)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(shuō)明人們?cè)诘卣饘?duì)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(shí)正在逐步提高。
