淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)

淺談橋梁抗震設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)

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(shí)間往往只有幾十秒,卻會(huì)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失,這是其它自然災(zāi)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(cái)產(chǎn)損失。如,1971年美國(guó)SanFernando地震(M6.6)、1976年中國(guó)唐山大地震(M7.8)、1989年美國(guó)LomaPrieta地震(M7.0)、1994年美國(guó)Northridge地震(M6.7)以及1995年日本阪神大地震(M7.2)導(dǎo)致的城市經(jīng)濟(jì)總損失(以當(dāng)時(shí)的幣值為準(zhǔn))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(zāi)害的共同特點(diǎn)是:由于橋梁工程遭到嚴(yán)重破壞,切斷了震區(qū)交通生命線,造成救災(zāi)工作的巨大困難,使次生災(zāi)害加重,導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著現(xiàn)代化城市人口的大量聚集和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,對(duì)交通線的依賴性越來越強(qiáng),而一旦地震使交通線遭到破壞,可能導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)以及間接經(jīng)濟(jì)損失也將會(huì)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(yán)重后果,也一再說明對(duì)橋梁工程進(jìn)行抗震設(shè)防的重要性。大量的橋梁震害資料表明:橋梁上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的落梁破壞;橋梁支座歷來被認(rèn)為是橋梁結(jié)構(gòu)體系中抗震性能比較薄弱的一個(gè)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(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是引起橋梁倒塌、并在震后難以修復(fù)使用的主要原因。而橋梁震害產(chǎn)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng)引起的破壞。對(duì)于后者,又主要源于兩方面的原因:一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和細(xì)部構(gòu)造以及施工方法上存在缺陷;二是結(jié)構(gòu)遭遇的地震動(dòng)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們的估計(jì),結(jié)構(gòu)無法抵御而破壞。要減輕地震災(zāi)害,就要采取各種抗震措施,對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)防,這就免不了要增加工程的造價(jià),而這些投資往往只能在遭遇設(shè)防地震時(shí)才能見到效益。因此,如何合理地進(jìn)行工程抗震設(shè)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(shè)計(jì)中需要解決的首要問題。這就是抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)問題。所謂工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是指根據(jù)地震動(dòng)背景,為保證工程結(jié)構(gòu)在壽命期內(nèi)的地震損失(經(jīng)濟(jì)及人員傷亡)不超過規(guī)定的水平或社會(huì)可接受的水平,規(guī)定工程結(jié)構(gòu)必須具備的抗震能力。謝禮立等對(duì)工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)問題進(jìn)行了全面的論述,認(rèn)為,決定工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的基本因素有三個(gè),即社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況、地震危險(xiǎn)性和工程結(jié)構(gòu)的重要性。確定工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí),需要綜合考慮工程的抗震設(shè)防原則、設(shè)防目標(biāo)、設(shè)防環(huán)境、設(shè)防參數(shù)、設(shè)防水準(zhǔn)、設(shè)防等級(jí)。確定最佳設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的核心問題是正確地解決設(shè)防水準(zhǔn)與設(shè)防原則及目標(biāo)之間的關(guān)系。這種關(guān)系可以被抽象為一個(gè)多變量(如多個(gè)設(shè)防參數(shù))、多目標(biāo)(如經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡)、多約束(如可接受的人員傷亡、地震經(jīng)濟(jì)損失上限)的動(dòng)態(tài)最優(yōu)決策問題。對(duì)一般結(jié)構(gòu)和工程的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)建立決策模型時(shí),模型中的基本變量應(yīng)當(dāng)是抗震設(shè)防水準(zhǔn),目標(biāo)函數(shù)應(yīng)力求最大限度地反映設(shè)防原則和目標(biāo)的要求,使為減災(zāi)目的使用的防災(zāi)投入與采取措施后的潛在地震損失之和為最小。洪峰等對(duì)工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)作了決策分析研究,張令心等則考慮了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可靠度,進(jìn)一步研究了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的決策分析。但這些研究都是針對(duì)房屋結(jié)構(gòu)展開的,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)選定為地震烈度(或峰值加速度)。對(duì)于橋梁工程,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)決策非常困難,因?yàn)闃蛄汗こ痰亩康卣饟p失分析比房屋結(jié)構(gòu)要困難很多,在目前條件下幾乎無法進(jìn)行。另一方面,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不僅與設(shè)防地震大小有關(guān),而且與對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能要求,甚至抗震驗(yàn)算指標(biāo)都有關(guān)系。本文將針對(duì)橋梁工程的特點(diǎn),澄清最低抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和大型橋梁工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系,并基于多級(jí)設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)思想,綜合考慮橋梁的設(shè)防水準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)性能要求、驗(yàn)算指標(biāo),探討大型橋梁工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的決策問題。1結(jié)構(gòu)與安全的關(guān)系文獻(xiàn)指出,工程結(jié)構(gòu)的最佳抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)決策是一個(gè)非常復(fù)雜的問題,需要有地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)(地震危險(xiǎn)性分析)和對(duì)地震損失的預(yù)測(cè)(經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡、社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)、心理等影響因素的預(yù)測(cè))作為基礎(chǔ),涉及地震學(xué)、地質(zhì)學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)等諸多領(lǐng)域。特別是地震損失分析,涉及結(jié)構(gòu)的易損性、經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)損失,則會(huì)變得更加困難。對(duì)于橋梁工程,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)決策更是難上加難,因?yàn)闃蛄汗こ痰牡卣饟p失分析,特別是由于橋梁工程遭到地震破壞而引起的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡分析在目前條件下幾乎無法進(jìn)行。因此,現(xiàn)行的橋梁工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上是依據(jù)人們的主觀經(jīng)驗(yàn)和判斷決定的,很難說清楚給定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)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(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行抗震設(shè)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(biāo)是減輕橋梁工程的地震破壞,保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全,減少經(jīng)濟(jì)損失。因此,橋梁抗震設(shè)防的基本原則,是既要使震前用于抗震設(shè)防的經(jīng)濟(jì)投入不超過我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)能力,又要使地震中經(jīng)過抗震設(shè)計(jì)的橋梁的破壞程度限制在人們可以承受的范圍內(nèi)。換言之,需要在經(jīng)濟(jì)與安全之間進(jìn)行合理平衡,即合理安全度原則。工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)可以是指一個(gè)行業(yè)的最低設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),這主要是政府的行為和決策;也可以是指某個(gè)重大工程具體采用的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)高于行業(yè)的最低標(biāo)準(zhǔn),可以由業(yè)主進(jìn)行決策和選擇。例如,中國(guó)《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)就是全國(guó)范圍內(nèi)的公路橋梁必須達(dá)到的最低設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),但這一最低標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上忽略了我國(guó)不同地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及人口分布密度上的差異,而經(jīng)濟(jì)因素和社會(huì)因素(人員傷亡)恰恰是制訂工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的重要因素。我國(guó)橋梁工程的最低抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)主要由政府部門決策,現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)采用的設(shè)防水準(zhǔn)為50年基準(zhǔn)期10%超越概率(重現(xiàn)期475年),重要結(jié)構(gòu)物的設(shè)防等級(jí)用重要性系數(shù)(0.6～1.7)來體現(xiàn)。事實(shí)上這種做法并不科學(xué)。一個(gè)反映基本地震的地震動(dòng)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(duì)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(jié)構(gòu)面臨的地震危險(xiǎn)性,并且盲目地增強(qiáng)或減弱了工程結(jié)構(gòu)的抗震能力。比較合理的做法是通過調(diào)整地震重現(xiàn)期來體現(xiàn)不同工程的設(shè)防等級(jí)。而大型橋梁工程的投資大,在交通網(wǎng)絡(luò)中所處的地位重要,一旦受損后修復(fù)的難度也大,而造成的經(jīng)濟(jì)損失更是難以估計(jì),因此,大型橋梁工程所采用的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)一般高于前述的最低抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。目前,大型橋梁工程具體采用的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),一般由業(yè)主參考其它大型橋梁工程已采用的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),并根據(jù)工程的重要性、自身的經(jīng)濟(jì)能力以及所能承受的風(fēng)險(xiǎn)水平,進(jìn)行決策并報(bào)批。美國(guó)在Northridge地震后,對(duì)著名的金門大橋進(jìn)行抗震加固,要求能抵御8.3級(jí)的大地震,相應(yīng)的地面加速度峰值為0.65g左右。2結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)與抗震防如前所述,工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)必須明確設(shè)防水準(zhǔn)與設(shè)防目標(biāo)之間的關(guān)系,因此在確定橋梁工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí),除了必須規(guī)定抗震設(shè)防水準(zhǔn)外,還必須同時(shí)規(guī)定對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。如采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo),則抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)就歸結(jié)為抗震設(shè)防水準(zhǔn)的確定。如采用多級(jí)設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)思想,則橋梁的設(shè)防目標(biāo)不是單一的,設(shè)防水準(zhǔn)往往也不是單一的,而是多級(jí)的。2.1結(jié)構(gòu)安全性的要求隨著國(guó)內(nèi)外震害資料的不斷增加,人們對(duì)地震動(dòng)特性以及地震作用下各類結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性、破壞機(jī)理、構(gòu)件能力的研究和認(rèn)識(shí)也不斷加深。而另一方面,由于經(jīng)濟(jì)的原因,社會(huì)、團(tuán)體組織對(duì)結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)預(yù)期抗震性能會(huì)有不同的要求。這些因素,不斷地促進(jìn)抗震設(shè)計(jì)思想和方法的發(fā)展,由原來的單一設(shè)防水準(zhǔn)一階段設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展為雙水準(zhǔn)或三水準(zhǔn)設(shè)防兩階段設(shè)計(jì)、三階段設(shè)計(jì),以及多水準(zhǔn)設(shè)防、多性能目標(biāo)準(zhǔn)則的基于性能的抗震設(shè)計(jì)等。(1)-97反應(yīng)體系我國(guó)現(xiàn)行《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)和《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ111-87)采用的就是這一種方法,設(shè)計(jì)目標(biāo)是大地震作用下結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌。美國(guó)AASHTO規(guī)范、歐洲統(tǒng)一規(guī)范(Eurocode8)采用的也是一階段設(shè)計(jì)方法,只是更注重延性抗震設(shè)計(jì)和檢算。實(shí)踐表明:單一水準(zhǔn)設(shè)防,一階段設(shè)計(jì)存在許多的不足,正逐漸為多水準(zhǔn)設(shè)防、多性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法所代替。(2)在刑滿釋放后,在一般緩刑作用下,社會(huì)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(guó)、日本及我國(guó)等國(guó)家的地震工程專家先后提出了分類設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)思想,即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。這一抗震設(shè)計(jì)思想常表示為以下三個(gè)要求:在小震(多遇地震)作用下,結(jié)構(gòu)物不需修理,仍可正常使用;在中震(偶遇地震)作用下,結(jié)構(gòu)物無重大損壞,經(jīng)修復(fù)后仍可繼續(xù)使用;在大震(罕遇地震)作用下,結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)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(duì)的,主要由工程所在地區(qū)的地震活動(dòng)性來決定。日本公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(1996年最新修訂版)中采用了兩水準(zhǔn)抗震設(shè)防,兩階段設(shè)計(jì)方法。對(duì)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(dòng)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(qiáng)烈地震動(dòng)作用下僅對(duì)橋梁產(chǎn)生有限的損傷。美國(guó)在ATC-32項(xiàng)目中也建議采用兩水平抗震設(shè)計(jì)方法。國(guó)內(nèi)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(zhǎng)江公路大橋、南京長(zhǎng)江二橋、廣東丫髻沙特大拱橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋等,抗震性能研究都單獨(dú)立項(xiàng)進(jìn)行,均采用兩水平抗震設(shè)計(jì)方法。(3)震設(shè)計(jì)方法及標(biāo)準(zhǔn)范立礎(chǔ)主編的我國(guó)首部“城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”的征求意見稿中,建議采用三水準(zhǔn)設(shè)防三階段設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)方法,即對(duì)應(yīng)三個(gè)設(shè)防水準(zhǔn),分別校核各自的設(shè)計(jì)指標(biāo),保證設(shè)計(jì)滿足三個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)的要求。根據(jù)橋梁在交通網(wǎng)絡(luò)上位置的重要性以及承擔(dān)交通量的多寡采用不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。新西蘭抗震設(shè)計(jì)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(jí)設(shè)防、三階段設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)方法。(4)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想多次破壞性地震的震害表明:基于不倒塌的抗震設(shè)計(jì)在保護(hù)生命安全方面是比較有效的,但難以避免巨大的經(jīng)濟(jì)損失。于是,美國(guó)學(xué)者提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想(performance-baseddesignphilosophy),而且越來越多的學(xué)者已認(rèn)同將來的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)是基于性能的抗震設(shè)計(jì),因此可以說是橋梁抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)。基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想,主要包括結(jié)構(gòu)抗震性能等級(jí)的定義,抗震性能目標(biāo)的選擇,以及通過正確設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)三部分。但是,要真正實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì),目前還需要進(jìn)行大量的研究。2.2橋梁工程抗震設(shè)計(jì)方法大型橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)不管是采用較為成熟的兩水平抗震設(shè)計(jì)方法,還是以后采用更為先進(jìn)的基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法,其抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)都不能僅僅以設(shè)防水準(zhǔn)作為參數(shù),而應(yīng)同時(shí)明確每一設(shè)防水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能要求以及相應(yīng)的驗(yàn)算指標(biāo)。因?yàn)榧词共捎猛辉O(shè)防水準(zhǔn),如果對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的性能要求或采用的驗(yàn)算指標(biāo)不同,則對(duì)橋梁的抗震能力要求就不同。國(guó)內(nèi)已建的大多數(shù)大型橋梁工程采用了兩水平抗震設(shè)計(jì)方法,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)多為:P1:50年10%,驗(yàn)算強(qiáng)度;P2:50年2%～3%,驗(yàn)算位移或變形,表1列出了國(guó)內(nèi)部分大型橋梁工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。但這些橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的性能要求和驗(yàn)算指標(biāo)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(shè)防標(biāo)準(zhǔn)得到了明確。蘇通大橋位于經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的江蘇,是一個(gè)特大型的橋梁工程,橋梁長(zhǎng)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?yàn)橹骺?088m的雙塔斜拉橋(世界第一);港區(qū)專用航道橋?yàn)橹骺?68m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu);引橋?yàn)槎嗦?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(wǎng)絡(luò)上的樞紐工程,在政治經(jīng)濟(jì)上具有非常重要的地位,在抗震救災(zāi)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(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)以及間接經(jīng)濟(jì)損失將會(huì)非常巨大。因此,在蘇通大橋的抗震設(shè)計(jì)中,業(yè)主選擇采用了較高的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),并且根據(jù)各部分橋梁的重要性以及地震破壞后橋梁結(jié)構(gòu)的修復(fù)(搶修)的難易程度,對(duì)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(shè)防標(biāo)準(zhǔn),表2、表3分