浅谈桥梁抗震设计中的抗震设计

浅谈桥梁抗震设计中的抗震设计

桥梁工程中抗震害的重要性地震是突然的和破坏性的。一次地震,持续时间往往只有几十秒,却会造成巨大的生命财产损失,这是其它自然灾害无法相比的。近30年来,多次破坏性地震都发生在城市,造成了非常惨重的生命财产损失。如,1971年美国SanFernando地震(M6.6)、1976年中国唐山大地震(M7.8)、1989年美国LomaPrieta地震(M7.0)、1994年美国Northridge地震(M6.7)以及1995年日本阪神大地震(M7.2)导致的城市经济总损失(以当时的币值为准)分别为:10亿美元、100亿人民币、70亿美元、200亿美元、1000亿美元。这几次地震灾害的共同特点是:由于桥梁工程遭到严重破坏,切断了震区交通生命线,造成救灾工作的巨大困难,使次生灾害加重,导致了巨大的经济损失。随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展,对交通线的依赖性越来越强,而一旦地震使交通线遭到破坏,可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。几次大地震一再说明了桥梁工程遭到破坏的严重后果,也一再说明对桥梁工程进行抗震设防的重要性。大量的桥梁震害资料表明:桥梁上部结构自身遭受震害而毁坏的情形比较少见,而极为常见的是桥梁上部结构的落梁破坏;桥梁支座历来被认为是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的一个环节,在历次破坏性地震中,支座的震害现象都较普遍;下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌、并在震后难以修复使用的主要原因。而桥梁震害产生的原因有两大类,一类是地基失效引起的破坏,另一类是结构的强烈振动引起的破坏。对于后者,又主要源于两方面的原因:一是结构设计和细部构造以及施工方法上存在缺陷;二是结构遭遇的地震动的强度远远超过人们的估计,结构无法抵御而破坏。要减轻地震灾害,就要采取各种抗震措施,对工程结构进行抗震设防,这就免不了要增加工程的造价,而这些投资往往只能在遭遇设防地震时才能见到效益。因此,如何合理地进行工程抗震设防,使其既能有效地减轻工程的地震破坏和损失,又能合理地使用有限的资金,就成为工程抗震设计中需要解决的首要问题。这就是抗震设防标准问题。所谓工程抗震设防标准是指根据地震动背景,为保证工程结构在寿命期内的地震损失(经济及人员伤亡)不超过规定的水平或社会可接受的水平,规定工程结构必须具备的抗震能力。谢礼立等对工程结构的抗震设防标准问题进行了全面的论述,认为,决定工程抗震设防标准的基本因素有三个,即社会经济状况、地震危险性和工程结构的重要性。确定工程抗震设防标准时,需要综合考虑工程的抗震设防原则、设防目标、设防环境、设防参数、设防水准、设防等级。确定最佳设防标准的核心问题是正确地解决设防水准与设防原则及目标之间的关系。这种关系可以被抽象为一个多变量(如多个设防参数)、多目标(如经济损失和人员伤亡)、多约束(如可接受的人员伤亡、地震经济损失上限)的动态最优决策问题。对一般结构和工程的设防标准建立决策模型时,模型中的基本变量应当是抗震设防水准,目标函数应力求最大限度地反映设防原则和目标的要求,使为减灾目的使用的防灾投入与采取措施后的潜在地震损失之和为最小。洪峰等对工程结构的抗震设防标准作了决策分析研究,张令心等则考虑了结构的设计可靠度,进一步研究了抗震设防标准的决策分析。但这些研究都是针对房屋结构展开的,抗震设防标准的参数选定为地震烈度(或峰值加速度)。对于桥梁工程,抗震设防标准的科学决策非常困难,因为桥梁工程的定量地震损失分析比房屋结构要困难很多,在目前条件下几乎无法进行。另一方面,抗震设防标准不仅与设防地震大小有关,而且与对桥梁结构的抗震性能要求,甚至抗震验算指标都有关系。本文将针对桥梁工程的特点,澄清最低抗震设防标准和大型桥梁工程抗震设防标准的关系,并基于多级设防的抗震设计思想,综合考虑桥梁的设防水准、结构性能要求、验算指标,探讨大型桥梁工程的抗震设防标准的决策问题。1结构与安全的关系文献指出,工程结构的最佳抗震设防标准决策是一个非常复杂的问题,需要有地震危险性预测(地震危险性分析)和对地震损失的预测(经济损失、人员伤亡、社会政治、经济、心理等影响因素的预测)作为基础,涉及地震学、地质学、工程学、经济学、社会学等诸多领域。特别是地震损失分析,涉及结构的易损性、经济损失和人员伤亡,还有很多需要解决的问题,如果还要考虑间接经济损失,则会变得更加困难。对于桥梁工程,抗震设防标准的科学决策更是难上加难,因为桥梁工程的地震损失分析,特别是由于桥梁工程遭到地震破坏而引起的经济损失和人员伤亡分析在目前条件下几乎无法进行。因此,现行的桥梁工程抗震设防标准在很大程度上是依据人们的主观经验和判断决定的,很难说清楚给定的设防标准到底能减小多少破坏与损失,能在多大程度上避免人员的伤亡,也很难说清楚在全国范围内进行抗震设防需增加多少投资,以及增加的抗震投资到底能换来多少期望的地震损失减小。桥梁抗震的目标是减轻桥梁工程的地震破坏,保障人民生命财产的安全,减少经济损失。因此,桥梁抗震设防的基本原则,是既要使震前用于抗震设防的经济投入不超过我国当前的经济能力,又要使地震中经过抗震设计的桥梁的破坏程度限制在人们可以承受的范围内。换言之,需要在经济与安全之间进行合理平衡,即合理安全度原则。工程的抗震设防标准可以是指一个行业的最低设防标准,这主要是政府的行为和决策;也可以是指某个重大工程具体采用的抗震设防标准,应高于行业的最低标准,可以由业主进行决策和选择。例如,中国《公路工程抗震设计规范》规定的设防标准就是全国范围内的公路桥梁必须达到的最低设防标准,但这一最低标准在一定程度上忽略了我国不同地区社会经济发展水平以及人口分布密度上的差异,而经济因素和社会因素(人员伤亡)恰恰是制订工程抗震设防标准的重要因素。我国桥梁工程的最低抗震设防标准主要由政府部门决策,现行的《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)采用的设防水准为50年基准期10%超越概率(重现期475年),重要结构物的设防等级用重要性系数(0.6～1.7)来体现。事实上这种做法并不科学。一个反映基本地震的地震动参数值乘以重要性系数后所代表的地震的重现期对不同地区是完全不同的,这就人为地夸大或缩小了工程结构面临的地震危险性,并且盲目地增强或减弱了工程结构的抗震能力。比较合理的做法是通过调整地震重现期来体现不同工程的设防等级。而大型桥梁工程的投资大,在交通网络中所处的地位重要,一旦受损后修复的难度也大,而造成的经济损失更是难以估计,因此,大型桥梁工程所采用的抗震设防标准一般高于前述的最低抗震设防标准。目前,大型桥梁工程具体采用的抗震设防标准,一般由业主参考其它大型桥梁工程已采用的抗震设防标准,并根据工程的重要性、自身的经济能力以及所能承受的风险水平,进行决策并报批。美国在Northridge地震后,对著名的金门大桥进行抗震加固,要求能抵御8.3级的大地震,相应的地面加速度峰值为0.65g左右。2结构性能目标与抗震防如前所述,工程抗震设防标准必须明确设防水准与设防目标之间的关系,因此在确定桥梁工程的抗震设防标准时,除了必须规定抗震设防水准外,还必须同时规定对应的结构性能目标。如采用统一的结构性能目标,则抗震设防标准就归结为抗震设防水准的确定。如采用多级设防的抗震设计思想,则桥梁的设防目标不是单一的,设防水准往往也不是单一的,而是多级的。2.1结构安全性的要求随着国内外震害资料的不断增加,人们对地震动特性以及地震作用下各类结构的动力响应特性、破坏机理、构件能力的研究和认识也不断加深。而另一方面,由于经济的原因,社会、团体组织对结构在不同水准地震作用下结构预期抗震性能会有不同的要求。这些因素,不断地促进抗震设计思想和方法的发展,由原来的单一设防水准一阶段设计逐渐发展为双水准或三水准设防两阶段设计、三阶段设计,以及多水准设防、多性能目标准则的基于性能的抗震设计等。(1)-97反应体系我国现行《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)和《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111-87)采用的就是这一种方法,设计目标是大地震作用下结构不发生倒塌。美国AASHTO规范、欧洲统一规范(Eurocode8)采用的也是一阶段设计方法,只是更注重延性抗震设计和检算。实践表明:单一水准设防,一阶段设计存在许多的不足,正逐渐为多水准设防、多性能目标的设计方法所代替。(2)在刑满释放后,在一般缓刑作用下,社会基层组织发生重大破坏,的情况可继续使用近几十年来,美国、日本及我国等国家的地震工程专家先后提出了分类设防的抗震设计思想,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。这一抗震设计思想常表示为以下三个要求:在小震(多遇地震)作用下,结构物不需修理,仍可正常使用;在中震(偶遇地震)作用下,结构物无重大损坏,经修复后仍可继续使用;在大震(罕遇地震)作用下,结构物可能产生重大破坏,但不致倒塌。所谓的多遇地震、偶遇地震和罕遇地震都是相对的,主要由工程所在地区的地震活动性来决定。日本公路桥梁抗震设计规范(1996年最新修订版)中采用了两水准抗震设防,两阶段设计方法。对特别重要桥梁(B类桥),除要求在其使用寿命期间发生的大概率地震动作用下不出现有损桥梁健全的破坏现象外,还要求在其使用寿命期间发生的小概率强烈地震动作用下仅对桥梁产生有限的损伤。美国在ATC-32项目中也建议采用两水平抗震设计方法。国内已建的一些大型桥梁工程,如南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥、广东海湾二桥、广东虎门大桥、广东南澳大桥、江阴长江公路大桥、南京长江二桥、广东丫髻沙特大拱桥、润扬大桥等,抗震性能研究都单独立项进行,均采用两水平抗震设计方法。(3)震设计方法及标准范立础主编的我国首部“城市桥梁抗震设计规范”的征求意见稿中,建议采用三水准设防三阶段设计的抗震设计方法,即对应三个设防水准,分别校核各自的设计指标,保证设计满足三个设防水准的要求。根据桥梁在交通网络上位置的重要性以及承担交通量的多寡采用不同的抗震设防标准。新西兰抗震设计规范、在建的香港昂船洲大桥(主跨1018m斜拉桥)也都采用了三级设防、三阶段设计的抗震设计方法。(4)基于性能的抗震设计思想多次破坏性地震的震害表明:基于不倒塌的抗震设计在保护生命安全方面是比较有效的,但难以避免巨大的经济损失。于是,美国学者提出了基于性能的抗震设计思想(performance-baseddesignphilosophy),而且越来越多的学者已认同将来的抗震设计应是基于性能的抗震设计,因此可以说是桥梁抗震设计方法的发展趋势。基于性能的抗震设计思想,主要包括结构抗震性能等级的定义,抗震性能目标的选择,以及通过正确设计实现性能目标三部分。但是,要真正实现基于性能的抗震设计,目前还需要进行大量的研究。2.2桥梁工程抗震设计方法大型桥梁工程的抗震设计不管是采用较为成熟的两水平抗震设计方法,还是以后采用更为先进的基于性能的抗震设计方法,其抗震设防标准都不能仅仅以设防水准作为参数,而应同时明确每一设防水准对应的结构性能要求以及相应的验算指标。因为即使采用同一设防水准,如果对桥梁结构的性能要求或采用的验算指标不同,则对桥梁的抗震能力要求就不同。国内已建的大多数大型桥梁工程采用了两水平抗震设计方法,抗震设防标准多为:P1:50年10%,验算强度;P2:50年2%～3%,验算位移或变形,表1列出了国内部分大型桥梁工程的抗震设防标准。但这些桥梁的抗震设防标准在对桥梁结构的性能要求和验算指标方面比较模糊,不够明确。在苏通大桥的抗震性能研究中,桥梁工程的抗震设防标准得到了明确。苏通大桥位于经济较为发达的江苏,是一个特大型的桥梁工程,桥梁长度约8000m,包括主航道桥、港区专用航道桥和引桥三部分。其中,主航道桥为主跨1088m的双塔斜拉桥(世界第一);港区专用航道桥为主跨268m的预应力混凝土连续刚构;引桥为多联跨度分别为30m、50m和75m的多跨连续梁。这一工程投资巨大,而且是交通网络上的枢纽工程,在政治经济上具有非常重要的地位,在抗震救灾中也将起着非常重要的作用,一旦在地震中遭到破坏,可能导致的生命财产以及间接经济损失将会非常巨大。因此,在苏通大桥的抗震设计中,业主选择采用了较高的抗震设防标准,并且根据各部分桥梁的重要性以及地震破坏后桥梁结构的修复(抢修)的难易程度,对主航道桥、港区专用航道桥和引桥分别采用两种不同的设防标准,表2、表3分