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    新聞動態
    21世紀斜張橋的抗震問題
    添加時間:2013-09-26    閱讀次數:2067

    摘 要:斜張橋的抗震設計,是世界各國橋梁工程師都非常關心的重大技術難點問題。本文較詳細地介紹了世界各國的橋梁抗震規范、橋梁抗震設計思想和橋梁抗震設計方法。
    關鍵詞:斜張橋 抗震 設計

      現代斜張橋的抗震問題早在70年代就已受到關注,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,它是典型的三跨斜張橋。主梁在塔柱位置,無豎向支承,僅有側向約束,錨固墩上,一端為固定支座,另一端設置伸縮縫。當遭遇超過抗震設計要求的縱向地面加速度的強烈地震時,設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,減小了結構的反應,這就是現在應用十分廣泛的“懸浮體系”。它的減震作用是明顯的,但結構的縱向位移也是相當可觀的。這種設計構思很快被世界各國橋梁工程師接受,在我國地震地區大部分斜張橋都設計為懸浮體系。
      由于現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查資料,這座斜張橋它的主橋結構在地震后還是完好無損。其原因可歸結為二方面,一方面斜張橋是一種長周期的柔性結構,地震荷載作用下內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展,人們對結構的抗震越來越重視,對大型結構的抗震性能要求作專題研究,以確保結構的安全性。而且近年來經歷了多次強震后,如1906年美國舊金山大地震(M8.3)、1923年關東大地震(M8.2)等等,從這些大地震中的結構震害,使人們對以前的抗震設計方法進行了反思,對以前的抗震設計規范進行修改。有人說地震設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范中的設計思想以及主要的設計方法。

    1 各國橋梁抗震規范簡介
      目前世界各國的橋梁抗震設計規范除了歐洲規范(8)第二部分(橋梁)中說明此規范也適用于斜張橋,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計指南中,有斜張橋抗震設計的若干規定外,其他國家都還沒有專門針對斜張橋的抗震設計規范,1971年我國頒發了鐵路工程抗震設計規范,1977年頒發了公路工程抗震設計規范。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年代對這二本規范進行了修改。修改后的規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范(8)第二部分(橋梁)的試行版,1997年進行修訂后作為正式規范執行。日本抗震設計要求是由日本道路協會作為道路設計規范(道路示方書)中的第五部分“耐震設計篇”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,這個版本也在修訂中。在完成修訂前,日本道路協會的下屬公路橋梁抗震措施委員會已經發表了一些試驗性的修訂設計準則,這些準則發表于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”。新西蘭在橋梁設計手冊“抗震設計”中給出了設計步驟,該手冊于1994年提出、并于1995年6月作了更新。當前,美國有兩部橋梁設計標準都包含地震設計條文,且都是由AASHTO協會頒布的。第一部以容許應力為基礎,題為“公路橋梁設計標準”(AASHTO,1992),抗震設計內容在I-A部分。第二部是建立在極限狀態理論基礎上,題為“LRFD橋梁設計標準”(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規范相似但不完全相同的獨立的規范,這套規范作為“橋梁設計規范”的一部分公布,并由“設計者備忘錄”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許多主要橋梁表現出的無法讓人接受的震害,加州運輸部要求其應用技術委員會(ATC)對設計標準和步驟進行徹底的修改,這次修改已經完成,并且其最終報告中許多建議已被加州運輸部采納。

    2 橋梁抗震設計思想
      在以上各國的抗震規范中,其共同點是在強震情況下不容許出現坍塌,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、橋臺、剪力鍵、連接構造、支座、上部結構的梁及橋面板的破壞)都是不能接受的。這一定義被其它規范廣泛采用,尤其在撓曲破壞的類型方面。然而一些規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。在頻繁出現但規模小得多的情況下,要求橋梁基本上保持彈性運營狀態(無破壞),對于這種狀態沒有特別的校核規定。
      明確要求或最起碼部分要求雙水準設計的規范有日本規范、Caltrans/ATC修正規范,所謂雙水準設計即“中震”作用下的截面承載能力設計和“強震”作用下的變形能力設計。每種情況都為二個不同的重現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。在加州運輸部的規范中,對重要橋梁和一般橋梁在功能性評估地震(發生概率30%~40%)和安全性評估地震(現場可能發生的最大強度地震,重現期為1000年)作用下,可接受的破壞程度和使用狀態作了定性的規定。除日本外,所有規范的設計思想都是一種能力設計,最近美國應用技術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計規范,并提出了改進美國公路橋梁抗震設計規范的若干建議,其中最主要的建議是要采用兩個水平的抗震設計方法。一般認為要求橋梁在強震時處于彈性狀態是不經濟的,而非彈性狀態是不可避免的,結構的極限承載能力用來將構件的內力限制在規定值內,然而相應的結構位移要求可能比較高,可能發生的特殊構件延性要求(如塑性鉸的轉動),都需要對塑性鉸附近作專門的設計,以防止塑性鉸的破壞和結構的倒塌。所有基于能力設計的地震規范的一個共同特征是對構件細節的關心,以確保結構進入塑性變形后的整體性。歷次地震中發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構的強度,同時對增強結構的延性(變形能力)也應給予充分重視,從各國規范修訂中可以看到抗震設計的方法正從傳統的強度理論向延性抗震理論過渡。
      我國現行的橋梁抗震設計規范還很不完善,無論是鐵路橋或公路橋,還是采用基于強度設防基礎上的設計方法,即根據折減后的彈性地震反應進行抗震設計,而結構的延性要求沒有明確規定,僅從墩柱的箍筋配筋率及構造方面提出要求,以保證結構的延性。因此對我國現行震規進行修訂和補充,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教授帶領下進行橋梁抗震研究工作已有20余年,研究的內容包括大跨度橋梁、城市立交及城市高架橋的抗震設計方法,橋梁的減隔震設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計中,首次提出了二水平的抗震設計方法。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,對橋梁抗震的設計思想也日趨成熟。在此基礎上于1998年開始,范立礎教授將正式主持“城市橋梁抗震設計規范”的制訂工作。
      減震和隔震設計思想是利用材料或裝置的耗能性能,達到減小結構地震反應的目的,是一種經濟有效的方法。近年來世界各國在結構的減隔震設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造簡單、性能穩定,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。通過選擇適當的減隔震裝置與設置位置來達到控制結構內力大小和分布的目的。目前,減隔震和結構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,減隔震和結構控制被列為對未來地震工程有重要影響的先進技術。

    3 橋梁抗震設計方法
      常用的結構抗震設計方法有震度法和動態分析法兩種,動態分析法中又包括反應譜法和時程分析法。
    早期的地震反應分析大多采用震度法,它假設結構物各部分與地震動具有相同的振動,并把結構在地面運動加速度作用下的慣性力視作靜力作用于結構物上做抗震驗算。動態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構的動力特性。其中反應譜方法中一個重要概念是動力放大系數,或稱標準化反應譜。其定義為:

    β(ω,ξ)=|U+Ug|max/Ug,max

      式中,右端項的分子為單質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。
      應用反應譜計算結構地震反應,首先要計算結構的動力特性和各階振型參與系數,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”中的驗算方法就是建立在反應譜理論的基礎上的,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”中加速度反應譜,或橋址場地設計加速度反應譜的適用范圍大都在5s以內,而大跨度橋梁是長周期結構,它們的基本周期大都大于5s,在長周期范圍動力放大系數β的取值對大跨度橋梁的地震反應的準確性至關重要。項海帆教授早在八十年代初就對公路工程抗震設計規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范化應以強震記錄位移反應譜的統計結果為依據”的觀點,并以此為基礎提出了對當前公路工程抗震設計規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;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。總之,反應譜方法在大跨度橋梁的方案設計階段,對結構的抗震性能進行粗略的評估還是可行的,但是對于重要結構或大跨度橋梁的地震反應分析則應進行專題研究。
      目前大跨度橋梁的抗震設計流程一個很重要的步驟,就是在橋址地震危險性分析的基礎上,進行結構的時程反應分析,這在大多數工程抗震設計規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構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,它是根據地震危險性分析中的人工地震波作為分析依據。所以,為了提高分析結果的可靠性,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構在風載、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構的安全程度,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構的作用以及如何確保結構的安全、功能和經濟方面的認識正在逐步提高。

    參考文獻

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    5 建筑抗震設計規范(GBJ11-89),1990.
    6 王淑波,袁萬城,范立礎.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.
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