现代斜张桥抗震设计方法

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

　　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。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，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。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。

　　关键词：斜张桥；抗震；动力参数；震动型

　　0 引言

　　斜张桥也称斜拉桥。用锚在塔上的多根斜向钢缆索吊住主梁的桥。斜张桥是第二次世界大战以后新发展起来的重要桥梁之一，因主梁为缆索多点悬吊，内力小，建筑高度低，施工方便，跨越能力大，现跨度已建到465米。可用于公路桥、铁路桥、城市桥、人行桥以及管造桥等。同时，现代斜张桥的抗震问题已受到关注，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。主梁在塔柱位置，无竖向支承，仅有侧向约束，锚固墩上，一端为固定支座，另一端设置伸缩缝。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。

　　1 桥梁抗震设计的总体思想

　　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置的要求，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。

　　我国现行的桥梁抗震设计规范还很不完善，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。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置的耗能性能，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。

　　2 斜张桥梁抗震设计方法

　　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：

　　β(ω，ξ)=|U+Ug|max/Ug，max

　　式中，右端项的分子为单质点体系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β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)的任意一种反应的时间历程等特点，而这些方面在大跨度桥梁地震反应分析中是必须考虑的。但在进行时程分析时也应该注意到地震波选用的随机性，因为地震是一个随机事件，它发生的时间、空间、强度、频谱成分、波形等等都是不确定的。而时程分析法还是一个确定性分析法，它是根据地震危险性分析中的人工地震波作为分析依据。所以，为了提高分析结果的可靠性，一般要求在同一钻孔位置给出一组(一般3～5条)地震波，然后取各条地震波反应的最大值。

　　用动力可靠度理论进行结构在风载、地震荷载作用下的安全性评估也是近年来各国学者研究的热点。它以概率的形式来评价结构的安全程度，与确定性分析方法相比又前进了一步，它的研究说明人们在地震对结构的作用以及如何确保结构的安全、功能和经济方面的认识正在逐步提高。