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(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,從這些大地震中的結(jié)構(gòu)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 技術設計
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?捎糜诠窐、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(cè)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(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(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。
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(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。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(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。
2斜張橋梁抗震設計方法
常用的結(jié)構(gòu)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(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: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(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(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(jié)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。總之,反應譜方法在大跨度橋梁的方案設計階段,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。