21世紀斜張橋的抗震問題

摘　要：斜張橋的抗震設(shè)計，是世界各國橋梁工程師都非常關(guān)心的重大技術(shù)難點問題。本文較詳細地介紹了世界各國的橋梁抗震規(guī)范、橋梁抗震設(shè)計思想和橋梁抗震設(shè)計方法。

　　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)預應力混凝土斜張橋位于強震區(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。當遭遇超過抗震設(shè)計要求的縱向地面加速度的強烈地震時，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，這就是現(xiàn)在應用十分廣泛的“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)計方法進行了反思，對以前的抗震設(shè)計規(guī)范進行修改。有人說地震設(shè)計的歷史也就是地震的災難史，確實如此。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。

　　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的鋼筋混凝土和預應力混凝土梁橋、圬工或鋼筋混凝土拱橋，不包括特大跨度橋梁。194歐洲標準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)表了一些試驗性的修訂設(shè)計準則，這些準則發(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指導說明”。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。當前，美國有兩部橋梁設(shè)計標準都包含地震設(shè)計條文，且都是由AASHTO協(xié)會頒布的。第一部以容許應力為基礎(chǔ)，題為“公路橋梁設(shè)計標準”(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)計標準”(AASHTO，1994)，要求地震荷載反應與其它荷載效應如風荷載、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。加州運輸部(Caltrans)也制訂了一套與AASHTO規(guī)范相似但不完全相同的獨立的規(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，加州運輸部要求其應用技術(shù)委員會(ATC)對設(shè)計標準和步驟進行徹底的修改，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輸部采納。

　　在以上各國的抗震規(guī)范中，其共同點是在強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。對強震的定義，即使在AASHTO規(guī)范中都很模糊，但一般認為是475年一遇的地震可稱為強震。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，所謂雙水準設(shè)計即“中震”作用下的截面承載能力設(shè)計和“強震”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標準。在加州運輸部的規(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，最近美國應用技術(shù)委員會完成了一個科研項目(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。一般認為要求橋梁在強震時處于彈性狀態(tài)是不經(jīng)濟的，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)件細節(jié)的關(guān)心，以確保結(jié)構(gòu)進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識到，要提高橋梁抗震能力不能單純依靠結(jié)構(gòu)的強度，同時對增強結(jié)構(gòu)的延性(變形能力)也應給予充分重視，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進行抗震設(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)進行修訂和補充，使其提高到一個新的先進水平已是刻不容緩。同濟大學土木工程防災國家重點實驗室橋梁抗震學科組在范立礎(chǔ)教授帶領(lǐng)下進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)計以及相應的計算機軟件的編制。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，達到減小結(jié)構(gòu)地震反應的目的，是一種經(jīng)濟有效的方法。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，已在橋梁上廣泛應用，法國跨度320m的伯勞東納(Brotonne)預應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用得較多的隔震支座。通過選擇適當?shù)臏p隔震裝置與設(shè)置位置來達到控制結(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技術(shù)。

　　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譜法和時程分析法。��

動態(tài)分析法比震度法有了較大的改進，它同時考慮了地面運動和結(jié)構(gòu)的動力特性。其中反應譜方法中一個重要概念是動力放大系數(shù)，或稱標準化反應譜。其定義為：

　　式中，右端項的分子為單質(zhì)點體系動力反應的絕對加速度反應，分母為地面加速度反應的峰值。��

　　應用反應譜計算結(jié)構(gòu)地震反應，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反應的貢獻程度進行線性疊加，得到這項反應的最大值。我國“震規(guī)”中的驗算方法就是建立在反應譜理論的基礎(chǔ)上的，但反應譜理論在大跨度橋梁抗震驗算上的應用還存在一些問題，如“震規(guī)”中加速度反應譜，或橋址場地設(shè)計加速度反應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的準確性至關(guān)重要。項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“長周期地震反應譜的取值和規(guī)范化應以強震記錄位移反應譜的統(tǒng)計結(jié)果為依據(jù)”的觀點，并以此為基礎(chǔ)提出了對當前公路工程抗震設(shè)計規(guī)范中的反應譜的長周期部分的修正和補充方法，增加了表達長周期地震反應譜特性的參數(shù)；其次大跨度橋梁地震反應組合中，如何考慮地震動的空間變化也是一個需要考慮的問題，因為對于大跨度橋梁，地震動的空間變化效應是不可忽略的。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)隨機振動理論導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，因此CQC方法對大跨度橋梁的地震反應分析更為適用。除此以外，在反應譜分析中給出的反應值基本上還是彈性反應，不能做到真正的非線性分析�？傊�，反應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分析則應進行專題研究。

　　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，進行結(jié)構(gòu)的時程反應分析，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。時程分析法與反應譜法相比具有能進行結(jié)構(gòu)的非線性地震反應分析、考慮復雜場地的非一致激勵影響、能給出任意截面(或結(jié)點)的任意一種反應的時間歷程等特點，而這些方面在大跨度橋梁地震反應分析中是必須考慮的。但在進行時程分析時也應該注意到地震波選用的隨機性，因為地震是一個隨機事件，它發(fā)生的時間、空間、強度、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的最大值。��

　　用動力可靠度理論進行結(jié)構(gòu)在風載、地震荷載作用下的安全性評估也是近年來各國學者研究的熱點。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)濟方面的認識正在逐步提高。

1　L.G.BUCKLE，Oveview of Seismil for Bridges in Different Countricsand Future Directions，11WCEE，Paper No.2113，1996.

2　范立礎(chǔ)主編.橋梁抗震.同濟大學出版社.1997.

3　公路工程抗震設(shè)計規(guī)范.北京：人民交通出版社，1990.

4　鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范.北京：人民交通出版社，1989.

5　建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GBJ11-89)，1990.

6　王淑波，袁萬城，范立礎(chǔ).懸索橋抗震分析振型組合方法的研究與應用.同濟大學出版社.Vo1.24，1996年增刊.

7　王淑波.大型橋梁抗震反應譜分析理論及應用研究.同濟大學博士學位論文，1997.

8　胡勃.橋梁抗震安全性評價及標準設(shè)置的基礎(chǔ)研究.同濟大學碩士學位論文，1998.

9　項海帆，陳國強.規(guī)范化的人工地震波.同濟大學學報，1985.4.