淺談橋梁抗震設計中的抗震設計

淺談橋梁抗震設計中的抗震設計

橋梁工程中抗震害的重要性地震是突然的和破壞性的。一次地震,持續(xù)時間往往只有幾十秒,卻會造成巨大的生命財產損失,這是其它自然災害無法相比的。近30年來,多次破壞性地震都發(fā)生在城市,造成了非常慘重的生命財產損失。如,1971年美國SanFernando地震(M6.6)、1976年中國唐山大地震(M7.8)、1989年美國LomaPrieta地震(M7.0)、1994年美國Northridge地震(M6.7)以及1995年日本阪神大地震(M7.2)導致的城市經濟總損失(以當時的幣值為準)分別為:10億美元、100億人民幣、70億美元、200億美元、1000億美元。這幾次地震災害的共同特點是:由于橋梁工程遭到嚴重破壞,切斷了震區(qū)交通生命線,造成救災工作的巨大困難,使次生災害加重,導致了巨大的經濟損失。隨著現(xiàn)代化城市人口的大量聚集和經濟的高速發(fā)展,對交通線的依賴性越來越強,而一旦地震使交通線遭到破壞,可能導致的生命財產以及間接經濟損失也將會越來越巨大。幾次大地震一再說明了橋梁工程遭到破壞的嚴重后果,也一再說明對橋梁工程進行抗震設防的重要性。大量的橋梁震害資料表明:橋梁上部結構自身遭受震害而毀壞的情形比較少見,而極為常見的是橋梁上部結構的落梁破壞;橋梁支座歷來被認為是橋梁結構體系中抗震性能比較薄弱的一個環(huán)節(jié),在歷次破壞性地震中,支座的震害現(xiàn)象都較普遍;下部結構和基礎的嚴重破壞是引起橋梁倒塌、并在震后難以修復使用的主要原因。而橋梁震害產生的原因有兩大類,一類是地基失效引起的破壞,另一類是結構的強烈振動引起的破壞。對于后者,又主要源于兩方面的原因:一是結構設計和細部構造以及施工方法上存在缺陷;二是結構遭遇的地震動的強度遠遠超過人們的估計,結構無法抵御而破壞。要減輕地震災害,就要采取各種抗震措施,對工程結構進行抗震設防,這就免不了要增加工程的造價,而這些投資往往只能在遭遇設防地震時才能見到效益。因此,如何合理地進行工程抗震設防,使其既能有效地減輕工程的地震破壞和損失,又能合理地使用有限的資金,就成為工程抗震設計中需要解決的首要問題。這就是抗震設防標準問題。所謂工程抗震設防標準是指根據(jù)地震動背景,為保證工程結構在壽命期內的地震損失(經濟及人員傷亡)不超過規(guī)定的水平或社會可接受的水平,規(guī)定工程結構必須具備的抗震能力。謝禮立等對工程結構的抗震設防標準問題進行了全面的論述,認為,決定工程抗震設防標準的基本因素有三個,即社會經濟狀況、地震危險性和工程結構的重要性。確定工程抗震設防標準時,需要綜合考慮工程的抗震設防原則、設防目標、設防環(huán)境、設防參數(shù)、設防水準、設防等級。確定最佳設防標準的核心問題是正確地解決設防水準與設防原則及目標之間的關系。這種關系可以被抽象為一個多變量(如多個設防參數(shù))、多目標(如經濟損失和人員傷亡)、多約束(如可接受的人員傷亡、地震經濟損失上限)的動態(tài)最優(yōu)決策問題。對一般結構和工程的設防標準建立決策模型時,模型中的基本變量應當是抗震設防水準,目標函數(shù)應力求最大限度地反映設防原則和目標的要求,使為減災目的使用的防災投入與采取措施后的潛在地震損失之和為最小。洪峰等對工程結構的抗震設防標準作了決策分析研究,張令心等則考慮了結構的設計可靠度,進一步研究了抗震設防標準的決策分析。但這些研究都是針對房屋結構展開的,抗震設防標準的參數(shù)選定為地震烈度(或峰值加速度)。對于橋梁工程,抗震設防標準的科學決策非常困難,因為橋梁工程的定量地震損失分析比房屋結構要困難很多,在目前條件下幾乎無法進行。另一方面,抗震設防標準不僅與設防地震大小有關,而且與對橋梁結構的抗震性能要求,甚至抗震驗算指標都有關系。本文將針對橋梁工程的特點,澄清最低抗震設防標準和大型橋梁工程抗震設防標準的關系,并基于多級設防的抗震設計思想,綜合考慮橋梁的設防水準、結構性能要求、驗算指標,探討大型橋梁工程的抗震設防標準的決策問題。1結構與安全的關系文獻指出,工程結構的最佳抗震設防標準決策是一個非常復雜的問題,需要有地震危險性預測(地震危險性分析)和對地震損失的預測(經濟損失、人員傷亡、社會政治、經濟、心理等影響因素的預測)作為基礎,涉及地震學、地質學、工程學、經濟學、社會學等諸多領域。特別是地震損失分析,涉及結構的易損性、經濟損失和人員傷亡,還有很多需要解決的問題,如果還要考慮間接經濟損失,則會變得更加困難。對于橋梁工程,抗震設防標準的科學決策更是難上加難,因為橋梁工程的地震損失分析,特別是由于橋梁工程遭到地震破壞而引起的經濟損失和人員傷亡分析在目前條件下幾乎無法進行。因此,現(xiàn)行的橋梁工程抗震設防標準在很大程度上是依據(jù)人們的主觀經驗和判斷決定的,很難說清楚給定的設防標準到底能減小多少破壞與損失,能在多大程度上避免人員的傷亡,也很難說清楚在全國范圍內進行抗震設防需增加多少投資,以及增加的抗震投資到底能換來多少期望的地震損失減小。橋梁抗震的目標是減輕橋梁工程的地震破壞,保障人民生命財產的安全,減少經濟損失。因此,橋梁抗震設防的基本原則,是既要使震前用于抗震設防的經濟投入不超過我國當前的經濟能力,又要使地震中經過抗震設計的橋梁的破壞程度限制在人們可以承受的范圍內。換言之,需要在經濟與安全之間進行合理平衡,即合理安全度原則。工程的抗震設防標準可以是指一個行業(yè)的最低設防標準,這主要是政府的行為和決策;也可以是指某個重大工程具體采用的抗震設防標準,應高于行業(yè)的最低標準,可以由業(yè)主進行決策和選擇。例如,中國《公路工程抗震設計規(guī)范》規(guī)定的設防標準就是全國范圍內的公路橋梁必須達到的最低設防標準,但這一最低標準在一定程度上忽略了我國不同地區(qū)社會經濟發(fā)展水平以及人口分布密度上的差異,而經濟因素和社會因素(人員傷亡)恰恰是制訂工程抗震設防標準的重要因素。我國橋梁工程的最低抗震設防標準主要由政府部門決策,現(xiàn)行的《公路工程抗震設計規(guī)范》(JTJ004-89)采用的設防水準為50年基準期10%超越概率(重現(xiàn)期475年),重要結構物的設防等級用重要性系數(shù)(0.6～1.7)來體現(xiàn)。事實上這種做法并不科學。一個反映基本地震的地震動參數(shù)值乘以重要性系數(shù)后所代表的地震的重現(xiàn)期對不同地區(qū)是完全不同的,這就人為地夸大或縮小了工程結構面臨的地震危險性,并且盲目地增強或減弱了工程結構的抗震能力。比較合理的做法是通過調整地震重現(xiàn)期來體現(xiàn)不同工程的設防等級。而大型橋梁工程的投資大,在交通網絡中所處的地位重要,一旦受損后修復的難度也大,而造成的經濟損失更是難以估計,因此,大型橋梁工程所采用的抗震設防標準一般高于前述的最低抗震設防標準。目前,大型橋梁工程具體采用的抗震設防標準,一般由業(yè)主參考其它大型橋梁工程已采用的抗震設防標準,并根據(jù)工程的重要性、自身的經濟能力以及所能承受的風險水平,進行決策并報批。美國在Northridge地震后,對著名的金門大橋進行抗震加固,要求能抵御8.3級的大地震,相應的地面加速度峰值為0.65g左右。2結構性能目標與抗震防如前所述,工程抗震設防標準必須明確設防水準與設防目標之間的關系,因此在確定橋梁工程的抗震設防標準時,除了必須規(guī)定抗震設防水準外,還必須同時規(guī)定對應的結構性能目標。如采用統(tǒng)一的結構性能目標,則抗震設防標準就歸結為抗震設防水準的確定。如采用多級設防的抗震設計思想,則橋梁的設防目標不是單一的,設防水準往往也不是單一的,而是多級的。2.1結構安全性的要求隨著國內外震害資料的不斷增加,人們對地震動特性以及地震作用下各類結構的動力響應特性、破壞機理、構件能力的研究和認識也不斷加深。而另一方面,由于經濟的原因,社會、團體組織對結構在不同水準地震作用下結構預期抗震性能會有不同的要求。這些因素,不斷地促進抗震設計思想和方法的發(fā)展,由原來的單一設防水準一階段設計逐漸發(fā)展為雙水準或三水準設防兩階段設計、三階段設計,以及多水準設防、多性能目標準則的基于性能的抗震設計等。(1)-97反應體系我國現(xiàn)行《公路工程抗震設計規(guī)范》(JTJ004-89)和《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GBJ111-87)采用的就是這一種方法,設計目標是大地震作用下結構不發(fā)生倒塌。美國AASHTO規(guī)范、歐洲統(tǒng)一規(guī)范(Eurocode8)采用的也是一階段設計方法,只是更注重延性抗震設計和檢算。實踐表明:單一水準設防,一階段設計存在許多的不足,正逐漸為多水準設防、多性能目標的設計方法所代替。(2)在刑滿釋放后,在一般緩刑作用下,社會基層組織發(fā)生重大破壞,的情況可繼續(xù)使用近幾十年來,美國、日本及我國等國家的地震工程專家先后提出了分類設防的抗震設計思想,即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。這一抗震設計思想常表示為以下三個要求:在小震(多遇地震)作用下,結構物不需修理,仍可正常使用;在中震(偶遇地震)作用下,結構物無重大損壞,經修復后仍可繼續(xù)使用;在大震(罕遇地震)作用下,結構物可能產生重大破壞,但不致倒塌。所謂的多遇地震、偶遇地震和罕遇地震都是相對的,主要由工程所在地區(qū)的地震活動性來決定。日本公路橋梁抗震設計規(guī)范(1996年最新修訂版)中采用了兩水準抗震設防,兩階段設計方法。對特別重要橋梁(B類橋),除要求在其使用壽命期間發(fā)生的大概率地震動作用下不出現(xiàn)有損橋梁健全的破壞現(xiàn)象外,還要求在其使用壽命期間發(fā)生的小概率強烈地震動作用下僅對橋梁產生有限的損傷。美國在ATC-32項目中也建議采用兩水平抗震設計方法。國內已建的一些大型橋梁工程,如南浦大橋、楊浦大橋、徐浦大橋、廣東海灣二橋、廣東虎門大橋、廣東南澳大橋、江陰長江公路大橋、南京長江二橋、廣東丫髻沙特大拱橋、潤揚大橋等,抗震性能研究都單獨立項進行,均采用兩水平抗震設計方法。(3)震設計方法及標準范立礎主編的我國首部“城市橋梁抗震設計規(guī)范”的征求意見稿中,建議采用三水準設防三階段設計的抗震設計方法,即對應三個設防水準,分別校核各自的設計指標,保證設計滿足三個設防水準的要求。根據(jù)橋梁在交通網絡上位置的重要性以及承擔交通量的多寡采用不同的抗震設防標準。新西蘭抗震設計規(guī)范、在建的香港昂船洲大橋(主跨1018m斜拉橋)也都采用了三級設防、三階段設計的抗震設計方法。(4)基于性能的抗震設計思想多次破壞性地震的震害表明:基于不倒塌的抗震設計在保護生命安全方面是比較有效的,但難以避免巨大的經濟損失。于是,美國學者提出了基于性能的抗震設計思想(performance-baseddesignphilosophy),而且越來越多的學者已認同將來的抗震設計應是基于性能的抗震設計,因此可以說是橋梁抗震設計方法的發(fā)展趨勢?；谛阅艿目拐鹪O計思想,主要包括結構抗震性能等級的定義,抗震性能目標的選擇,以及通過正確設計實現(xiàn)性能目標三部分。但是,要真正實現(xiàn)基于性能的抗震設計,目前還需要進行大量的研究。2.2橋梁工程抗震設計方法大型橋梁工程的抗震設計不管是采用較為成熟的兩水平抗震設計方法,還是以后采用更為先進的基于性能的抗震設計方法,其抗震設防標準都不能僅僅以設防水準作為參數(shù),而應同時明確每一設防水準對應的結構性能要求以及相應的驗算指標。因為即使采用同一設防水準,如果對橋梁結構的性能要求或采用的驗算指標不同,則對橋梁的抗震能力要求就不同。國內已建的大多數(shù)大型橋梁工程采用了兩水平抗震設計方法,抗震設防標準多為:P1:50年10%,驗算強度;P2:50年2%～3%,驗算位移或變形,表1列出了國內部分大型橋梁工程的抗震設防標準。但這些橋梁的抗震設防標準在對橋梁結構的性能要求和驗算指標方面比較模糊,不夠明確。在蘇通大橋的抗震性能研究中,橋梁工程的抗震設防標準得到了明確。蘇通大橋位于經濟較為發(fā)達的江蘇,是一個特大型的橋梁工程,橋梁長度約8000m,包括主航道橋、港區(qū)專用航道橋和引橋三部分。其中,主航道橋為主跨1088m的雙塔斜拉橋(世界第一);港區(qū)專用航道橋為主跨268m的預應力混凝土連續(xù)剛構;引橋為多聯(lián)跨度分別為30m、50m和75m的多跨連續(xù)梁。這一工程投資巨大,而且是交通網絡上的樞紐工程,在政治經濟上具有非常重要的地位,在抗震救災中也將起著非常重要的作用,一旦在地震中遭到破壞,可能導致的生命財產以及間接經濟損失將會非常巨大。因此,在蘇通大橋的抗震設計中,業(yè)主選擇采用了較高的抗震設防標準,并且根據(jù)各部分橋梁的重要性以及地震破壞后橋梁結構的修復(搶修)的難易程度,對主航道橋、港區(qū)專用航道橋和引橋分別采用兩種不同的設防標準,表2、表3分