現代斜張橋抗震設計方法

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。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。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。

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以后新發展起來的重要橋梁之一，因主梁為纜索多點懸吊，內力小，建筑高度低，施工方便，跨越能力大，現跨度已建到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，現代斜張橋的抗震問題已受到關注，美國1978年建成的帕斯卡一開訥維克(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。

1 橋梁抗震設計的總體思想

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。

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。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。

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分析法兩種，動態分析法中又包括反應譜法和時程分析法。

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：B《∞，∈}=IU+U gIma)／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p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。

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.