21世纪斜张桥的抗震问题

1、21 世纪斜张桥的抗震问题摘要： 斜张桥的抗震设计，是世界各国桥梁工程师都非 常关心的重大技术难点 问题 。本文较详细地介绍了世界各 国的桥梁抗震规范、桥梁抗震设计思想和桥梁抗震设计 方 法。关键词： 斜张桥 抗震 设计 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。主梁在塔柱位臵，无竖向支承 仅有侧向约束，锚固墩上，一端为固定支座，另一端设臵伸 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

2、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， 197

3、1 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

4、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

5、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臵的要求， 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

6、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

7、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臵的耗能性能，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

8、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臵的 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臵与设臵位臵来达 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。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：0（3比）= |U+Ug|max/Ug,max式中，右端项的分子为单质点体系

9、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0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 。 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

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