現(xiàn)代斜張橋抗震設(shè)計(jì)方法

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　　摘要：斜張橋的抗震設(shè)計(jì)，是世界各國(guó)橋梁工程師都非常關(guān)心的重大技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題。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，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。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。

　　關(guān)鍵詞：斜張橋；抗震；動(dòng)力參數(shù)；震動(dòng)型

　　0 引言

　　斜張橋也稱斜拉橋。用錨在塔上的多根斜向鋼纜索吊住主梁的橋。斜張橋是第二次世界大戰(zhàn)以后新發(fā)展起來(lái)的重要橋梁之一，因主梁為纜索多點(diǎn)懸吊，內(nèi)力小，建筑高度低，施工方便，跨越能力大，現(xiàn)跨度已建到465米?？捎糜诠窐?、鐵路橋、城市橋、人行橋以及管造橋等。同時(shí)，現(xiàn)代斜張橋的抗震問(wèn)題已受到關(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。

　　1 橋梁抗震設(shè)計(jì)的總體思想

　　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。

　　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。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20年，使用情況良好。

　　2 斜張橋梁抗震設(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。

　　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以內(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?？傊?，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)行專題研究。

　　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。