中美日混凝土等公路抗震方案.doc

中美日混凝土等公路抗震方案人類社會對結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行反思的歷史目前還僅僅只有100年。上世紀(jì)四五十年代，工程師們才開始在公路工程規(guī)范中列入抗震設(shè)計條款。自1971年美國圣佛爾南多地震之后，現(xiàn)代公路工程開始了真正意義上的抗震設(shè)計。近30年來，1989年的美國洛馬普列塔地震、1995年的日本阪神地震等，為工程師們帶來更多的經(jīng)驗和教訓(xùn)，讓他們可以在檢驗以往抗震設(shè)計施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展新的技術(shù)。 技術(shù)是難點 當(dāng)前，地震工程研究的發(fā)展在內(nèi)容上，由傳統(tǒng)做法逐漸轉(zhuǎn)向高新技術(shù)的應(yīng)用，在組織形式上，從以單體研究為主過渡到組織合作研究，從工程師單方面研究過渡到工程師與地震學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、社會學(xué)家聯(lián)合研究。學(xué)科的交叉、融合及擴(kuò)展，材料科學(xué)、信息技術(shù)等新成果的應(yīng)用,是現(xiàn)階段公路工程抗震學(xué)科發(fā)展的重要特征。現(xiàn)階段，公路工程抗震包含強(qiáng)震監(jiān)測、結(jié)構(gòu)振動控制等在內(nèi)的8項技術(shù)工作。 作為地震工程的基礎(chǔ)性工作，強(qiáng)震監(jiān)測以1933年在美國長灘取得世界上第一個強(qiáng)震記錄為標(biāo)志，至今已有70多年。目前，強(qiáng)震觀測工作正朝著觀測與綜合應(yīng)用的階段發(fā)展。同時，GPS和GIS技術(shù)的引入，使得強(qiáng)震觀測向著可靠、易維護(hù)、小型化、智能化方向發(fā)展。 結(jié)構(gòu)振動控制較之以校核或驗算為主的抗震設(shè)計，才是真正的設(shè)計，它使得結(jié)構(gòu)采取針對地震的特殊布局。結(jié)構(gòu)振動控制可以克服現(xiàn)行抗震設(shè)計的不足。美國、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家對主動控制的研究較多，而中國、俄羅斯等國家對被動控制的研究則更加充分。 特殊和重大工程與一般工程抗震設(shè)防在地震動參數(shù)、具體場地和地震條件的考慮、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防水準(zhǔn)上有不同之處。日本在建造九州-四國跨懸索橋的時候，即制定了不同于一般規(guī)范的專門抗震設(shè)計準(zhǔn)則。 結(jié)構(gòu)破壞分析和防倒塌分析設(shè)計長期受到重視，原因是利用結(jié)構(gòu)非彈性階段的巨大耗能作用可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)和安全的防倒塌目的，更重要的是，近代觀測數(shù)據(jù)多次表明，建筑物有可能遭受到預(yù)料不到的特大地震動峰值加速度。 在地基破壞與變形的估計中，邊坡滑動和砂土液化是地基抗震穩(wěn)定性中研究最多的。 基于性能的抗震設(shè)計基本出發(fā)點是通過多級抗震設(shè)計、位移控制、非線性分析以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備的抗震分析，綜合考慮設(shè)計、施工、驗收等各個環(huán)節(jié)，使抗震結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期性能、滿足使用者預(yù)期的功能要求。目前，美國學(xué)者已經(jīng)提出了基于性能設(shè)計的理論框架，并從特定類型結(jié)構(gòu)入手，對其具體實施了一系列探索，研究成果已經(jīng)納入了有關(guān)的抗震設(shè)計規(guī)范。 工程結(jié)構(gòu)的健康診斷指的是通過測量結(jié)構(gòu)的某些參數(shù)、利用結(jié)構(gòu)動力分析方法和反演理論，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)抗力的理論和技術(shù)。這一領(lǐng)域的研究是推進(jìn)安全工程和防災(zāi)工程進(jìn)展的基礎(chǔ)。 通過各國的地震實踐表明，地震應(yīng)急和震后救災(zāi)技術(shù)對于政府按照應(yīng)急預(yù)案采取快速應(yīng)急反應(yīng)與對策，減少地震造成的損失，都是十分重要的。日本在1995年的阪神地震中由于政府對震災(zāi)損失估計不足，導(dǎo)致了救災(zāi)遲緩。地震發(fā)生后，采取得力的救災(zāi)措施和技術(shù)是減少人員傷亡的有力手段，遺憾的是，目前世界各國對此研究還不是很充足。 規(guī)范在不斷補(bǔ)充 公路工程抗震在技術(shù)規(guī)范方面通常被世界各國相互借鑒、補(bǔ)充，并且每次典型的大地震之后，抗震規(guī)范都要根據(jù)結(jié)構(gòu)震害情況進(jìn)行及時的修改和補(bǔ)充。美國的AASHTO規(guī)范、Caltrans準(zhǔn)則、日本規(guī)范和我國規(guī)范分別在抗震設(shè)防水準(zhǔn)、地震作用、地震反應(yīng)計算分析方法、延性設(shè)計和抗震設(shè)計方法等進(jìn)行了比較和研究。 在抗震設(shè)防水準(zhǔn)上，美國的AASHTO規(guī)范將場地位于加速度系數(shù)大于0.29的橋梁劃分為重要橋梁和一般橋梁，并依據(jù)加速度系數(shù)和橋梁結(jié)構(gòu)的重要性，將抗震性能等級劃分為A、B、C、D4類作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的最低要求；在Caltrans準(zhǔn)則中，所有橋梁被劃分為重要橋梁和一般橋梁，并要求對所有橋梁結(jié)構(gòu)都按照抗震性能準(zhǔn)則進(jìn)行抗震設(shè)計；日本則將橋梁劃分為一般重要橋梁和特別重要橋梁兩類，地震水平分為兩級，進(jìn)行三級水準(zhǔn)抗震設(shè)防；在我國，對結(jié)構(gòu)重要性引入“重要性系數(shù)”，采用單一水平設(shè)計的方法，以強(qiáng)度破壞為目標(biāo)準(zhǔn)則。 在地震作用的比較中，美國的AASHTO規(guī)范采用的是50年超越概率為10（重現(xiàn)期475年）的地震加速度區(qū)劃圖，并規(guī)定對重要或特殊橋梁進(jìn)行專門研究；Caltrans準(zhǔn)則采用了場地最大可能地震動加速度；日本的規(guī)范中將地震荷載分成兩級3類，其中第一級為橋梁使用壽命期間發(fā)生概率較大的地震，標(biāo)準(zhǔn)地震加速度為0.3g（g=9.8米每平方秒，下同）,僅包含1類，第二級中第1類標(biāo)準(zhǔn)加速度最大為1.0g，第2類標(biāo)準(zhǔn)加速度最大為2.1g；我國的89規(guī)范采用烈度區(qū)劃，規(guī)范給出烈度和地面加速度最大值之間的對應(yīng)關(guān)系。 在地震反應(yīng)分析計算方法上，美國的AASHTO規(guī)范采用的分析方法主要有均布荷載法、反應(yīng)譜法、動力時程分析法；Caltrans準(zhǔn)則中的方法主要有等效靜力、彈性動力分析、非彈性靜力分析；日本主要采用地震系數(shù)法、彈塑性擬靜力法、動力時程分析法；我們國家規(guī)定分析計算方法采用反應(yīng)譜理論，但對于路基、擋土墻、橋臺、隧道等公路工程，由于自振特性研究很少，仍然采用靜力法計算地震作用。 在延性設(shè)計上，美國AASHTO規(guī)范、Caltrans準(zhǔn)則和日本規(guī)范均有詳細(xì)的延性設(shè)計規(guī)定；而我國公路工程抗震設(shè)計規(guī)范對于鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和磚石及混凝土結(jié)構(gòu)，采用分項安全系數(shù)的極限狀態(tài)驗算，對于地基和支座等采用容許應(yīng)力法驗算。 減隔震技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段，寫入規(guī)范的歷史不長，但美國AASHTO規(guī)范、Caltrans準(zhǔn)則和日本規(guī)范等已經(jīng)有相關(guān)的減震、耗能設(shè)計條文。 中國公路抗震研究 20世紀(jì)50年代中期，地震工程納入了我國的國家計劃，1956年前后我國編制了第一個地震區(qū)劃圖，直到1964年形成了工程抗震設(shè)計草案，最早規(guī)定了公路工程的抗震設(shè)計。1966年以后，我國發(fā)生了一系列破壞性地震，為了保障公路工程的安全，70年代初期，交通部組織公路工程抗震設(shè)計規(guī)范的編制工作，并于1977年頒布（試行），后來，根據(jù)抗震技術(shù)的發(fā)展需要，1989年進(jìn)行了修訂，并一直沿用至今。 1976年的唐山大地震，促成交通系統(tǒng)的抗震分析和研究得到重視和發(fā)展。全國各專業(yè)研究所對橋梁震害進(jìn)行了大量的調(diào)查研究，這些調(diào)查報告為分析不同橋梁體系抗震性能，研究合理設(shè)計方法，提供了最基礎(chǔ)的資料。唐山大地震之后，我國的地震工作者和工程結(jié)構(gòu)抗震研究者對工程結(jié)構(gòu)的抗震研究取得了舉世矚目的成績，特別是在拱橋的抗震研究方面，其技術(shù)一直居于世界領(lǐng)先水平。 一直以來，交通運輸部非常重視公路工程結(jié)構(gòu)的抗震研究，在交通西部項目中，已經(jīng)結(jié)題或正在開展的項目有公路路基結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法研究、橋梁抗震性能評價及抗震加固技術(shù)研究、震后橋梁性能評價及加固技術(shù)研究等。同時，公路工程抗震規(guī)范的編制工作一直受到重視。1998年，在交通部的支持下，交通部公路規(guī)劃設(shè)計院承擔(dān)了中國地震局下達(dá)的研究任務(wù)“公路工程結(jié)構(gòu)重要性分類及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究”，該課題于2000年通過中國地震局的審查驗收。2006年，交通部又組織了對公路工程抗震規(guī)范的修訂。 由于我國臺灣頻發(fā)破壞性地震，當(dāng)?shù)氐牡厍蚩茖W(xué)研究人員和政府當(dāng)局亦非常重視地震研究工作。臺灣地區(qū)“中央研究院”地球科學(xué)研究所地震研究室于20世紀(jì)70年代初在臺灣各地進(jìn)行了一系列的地震研究工作，其中包括地震預(yù)測研究，主要防止高速公路、工業(yè)區(qū)及核能發(fā)電廠等興建時遭到意外災(zāi)害和損失。在抗震設(shè)計規(guī)范方面，1960年以來，臺灣地區(qū)使用的橋梁設(shè)計規(guī)范已經(jīng)經(jīng)過了3次修訂。1960年以前，有幾個設(shè)計指南規(guī)范用于橋梁設(shè)計，其中一些是參照日本的規(guī)范。1960年，臺灣地區(qū)交通部門頒布了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，稱之為“公路橋梁工程設(shè)計規(guī)范”，用于公路橋梁設(shè)計與施工。這些規(guī)范參照美國1953年版的AASHTO橋梁設(shè)計規(guī)范。1987年，根據(jù)1977年版的AASHTO橋梁設(shè)計規(guī)范又再進(jìn)行了修訂。后來，這個規(guī)范根據(jù)1992年版的AASHTO規(guī)范和1990年日本出版的抗震規(guī)范又進(jìn)行了修訂，但規(guī)范的抗震設(shè)計部分沒有大的改動。 美日橋梁加固計劃 1971年，圣佛爾南多地震使加州高德（Golder）州際高速公路上的60多座橋梁受到損害，此后，美國加州交通局開始啟動橋梁抗震加固計劃，該計劃包括3個階段。第一階段是在伸縮縫和鉸處安裝拉桿，以防止落梁破壞，這種抗震措施成本最低，但是效果非常明顯。這一階段的目的是加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，以抵抗豎向加速度，防止上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件從支座上滑落。第二階段，隨著1987年惠蒂爾(Whittier)等地震中約束措施的失效，加州交通局要求舊橋加固后必須具備與新橋一樣的抗震能力。針對當(dāng)時的橋梁震害情況，此階段主要進(jìn)行獨柱式橋墩的加固。在第三階段中，以提高墩柱的抗彎強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度及延性為主要方法，加固多柱式橋墩，提高蓋梁、上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與橋臺的承載能力，提高節(jié)點的抗剪強(qiáng)度。 作為地震頻發(fā)的國家，日本于1971年、197