斜张桥的抗震问题

现代斜张桥的抗震问题早在70年代就已受到关注，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。

　　由于现代斜张桥的历史还不长，遇到强震的情况很少，因此对斜张桥的震害报道，除了在1995年阪神地震中一座主跨485m钢斜张桥，边墩上的钢摇轴栓钉脱落外，尚未见到其他报导和调查资料，这座斜张桥它的主桥结构在地震后还是完好无损。其原因可归结为二方面，一方面斜张桥是一种长周期的柔性结构，地震荷载作用下内力反应一般不起控制作用而由位移控制；另一方面是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，如1906年美国旧金山大地震（M8.3）、1923年关东大地震（M8.2）等等，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。有人说地震设计的历史也就是地震的灾难史，确实如此。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。

　　1、各国桥梁抗震规范简介

　　目前世界各国的桥梁抗震设计规范除了欧洲规范（8）第二部分（桥梁）中说明此规范也适用于斜张桥，以及美国土木工程学会斜张桥委员会在90年代编制的斜张桥设计指南中，有斜张桥抗震设计的若干规定外，其他国家都还没有专门针对斜张桥的抗震设计规范，1971年我国颁发了铁路工程抗震设计规范，1977年颁发了公路工程抗震设计规范。1976年唐山大地震大大推动了桥梁抗震研究工作的迅速开展，铁道部和交通部组织了科研班子，于80年代对这二本规范进行了修改。修改后的规范还是仅适用于跨径不超过150m的钢筋混凝土和预应力混凝土梁桥、圬工或钢筋混凝土拱桥，不包括特大跨度桥梁。194欧洲标准化委员会通过了欧洲规范（8）第二部分（桥梁）的试行版，1997年进行修订后作为正式规范执行。日本抗震设计要求是由日本道路协会作为道路设计规范（道路示方书）中的第五部分“耐震设计篇”中提出的，最近的版本为1990年，但由于在1995年阪神地震中许多桥梁不能令人满意的表现，这个版本也在修订中。

在完成修订前，日本道路协会的下属公路桥梁抗震措施委员会已经发表了一些试验性的修订设计准则，这些准则发表于1996年6月，题为“阪神地震毁损公路桥梁的重建及修复指导说明”。新西兰在桥梁设计手册“抗震设计”中给出了设计步骤，该手册于1994年提出、并于1995年6月作了更新。当前，美国有两部桥梁设计标准都包含地震设计条文，且都是由AASHTO协会颁布的。第一部以容许应力为基础，题为“公路桥梁设计标准”（AASHTO，1992），抗震设计内容在I-A部分。第二部是建立在极限状态理论基础上，题为“LRFD桥梁设计标准”（AASHTO，1994），要求地震荷载反应与其它荷载效应如风荷载、冲刷荷载、冰荷载及船撞力等都包含在不同的章节中。第一版于1994年颁布、1995年修订。加州运输部（Caltrans）也制订了一套与AASHTO规范相似但不完全相同的独立的规范，这套规范作为“桥梁设计规范”的一部分公布，并由“设计者备忘录”作了必要的补充（Caltrans，1995）。由于在1989年LomaPrieta地震中旧金山海湾地区许多主要桥梁表现出的无法让人接受的震害，加州运输部要求其应用技术委员会（ATC）对设计标准和步骤进行彻底的修改，这次修改已经完成，并且其最终报告中许多建议已被加州运输部采纳。

　　2、桥梁抗震设计思想

　　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。明确要求或最起码部分要求双水准设计的规范有日本规范、Caltrans/ATC修正规范，所谓双水准设计即“中震”作用下的截面承载能力设计和“强震”作用下的变形能力设计。每种情况都为二个不同的重现期定义了二套地震荷载，而且对桥梁在二种荷载情况下的性能作了明确的检验标准。在加州运输部的规范中，对重要桥梁和一般桥梁在功能性评估地震（发生概率30%～40%）和安全性评估地震（现场可能发生的最大强度地震，重现期为1000年）作用下，可接受的破坏程度和使用状态作了定性的规定。