21世纪斜张桥的抗震问题思维导图

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。除日本外，所有规范的设计思想都是一种能力设计，最近美国应用技术委员会完成了一个科研项目（ATC-18），查阅了世界各国公路工程抗震设计规范，并提出了改进美国公路桥梁抗震设计规范的若干建议，其中最主要的建议是要采用两个水平的抗震设计方法。一般认为要求桥梁在强震时处于弹性状态是不经济的，而非弹性状态是不可避免的，结构的极限承载能力用来将构件的内力限制在规定值内，然而相应的结构位移要求可能比较高，可能发生的特殊构件延性要求（如塑性铰的转动），都需要对塑性铰附近作专门的设计，以防止塑性铰的破坏和结构的倒塌。所有基于能力设计的地震规范的一个共同特征是对构件细节的关心，以确保结构进入塑性变形后的整体性。历次地震中发生的桥梁震害使人们认识到，要提高桥梁抗震能力不能单纯依靠结构的强度，同时对增强结构的延性（变形能力）也应给予充分重视，从各国规范修订中可以看到抗震设计的方法正从传统的强度理论向延性抗震理论过渡。?

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。同济大学土木工程防灾国家重点实验室桥梁抗震学科组在范立础教授带领下进行桥梁抗震研究工作已有20余年，研究的内容包括大跨度桥梁、城市立交及城市高架桥的抗震设计方法，桥梁的减隔震设计以及相应的计算机软件的编制。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。?

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：

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。