現(xiàn)代斜張橋抗震設計方法

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　　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。隨著大跨度橋梁的發(fā)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(jīng)歷了多次強震后，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(guī)范進行修改。本文將簡要介紹各國橋梁抗震規(guī)范中的設計思想以及主要的設計方法。

　　關鍵詞：斜張橋；抗震；動力參數(shù)；震動型

　　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)展起來的重要橋梁之一，因主梁為纜索多點懸吊，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。可用于公路橋、鐵路橋、城市橋、人行橋以及管造橋等。同時，現(xiàn)代斜張橋的抗震問題已受到關注，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(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(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(qū)大部分斜張橋都設計為懸浮體系。

　　1 橋梁抗震設計的總體思想

　　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、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(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。

　　我國現(xiàn)行的橋梁抗震設計規(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防基礎上的設計方法，即根據(jù)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(guī)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(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。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(guī)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(jīng)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(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。

　　2 斜張橋梁抗震設計方法

　　常用的結構抗震設計方法有震度法和動態(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(shù)，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(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(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(shù)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(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)計結果為依據(jù)”的觀點，并以此為基礎提出了對當前公路工程抗震設計規(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。

　　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(shù)工程抗震設計規(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(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(jīng)濟方面的認識正在逐步提高。