第27卷第2期
1999年4月同济大学学报Vol . 27. No . 2A p r . 1999JOUR NAL OF T ONGJI UNIVER SIT Y
关于桥梁抗震设计规范反应谱若干问题
韦晓袁万城王志强范立础
(同济大学桥梁工程系, 上海, 200092)
摘要从桥梁抗震设计反应谱分析与设计角度出发, 讨论了当前我国《桥梁抗震设计规范》制订中关于反应谱
曲线和反应谱组合方法等几个需要解决的问题.
关键词
分类号规范反应谱; 长周期; 阻尼比; 振型组合; 多级抗震设防U422
Some Problems on Aseismic Desi g n Code Res p onse
S p ectrum for Brid g es
W ei Xiao Yuan W anchen g W an g Zhi q ian g Fan L ichu
(D ep artment of Bridge En gin eerin g , Tongji Un ivers it y , Shanghai , 200092)
Abstract In this p a p er , based on demand of aseism ic res p onse s p ectrum anal y sis and desi g n , som e ex istin g p roblems in aseismic design code for br idge structur es , such as long period response spectrum value and technique for response spectrum combination , are pointed out and the possible solution m ethods to them ar e also proposed .
Keywords Code response spectrum ; Long period ; Damping ratio ; Combination method of vibration mode ; Multilevel
aseism ic protection
在结构抗震理论发展中, 静力、反应谱和动力分析方法3个阶段的形成和发展是人类对自然规律认识的一个不断深入与完善的过程. 1942年M . A . Biot 明确提出了从强震记录中计算反应谱的概念, 1953年Housner 等人对此加以实现, 并在随后的加州抗震设计规范中首先采用了将反应谱理论作为抗震设计方法, 以取代过去的静力系数法. 由于反应谱理论不仅简单正确地反映了地震动的特性而且同时考虑了结构物的动力特性, 因而迅速在世界范围内得到了广泛的承认. 50年代后期, 这一抗震理论已基本取代了静力系数法, 从而奠定了反应谱理论在抗震设计中的主导地位.
使用反应谱方法进行桥梁结构的抗震分析首先需要解决两个问题:一是合理的地震动反应谱输入; 二是恰当的反应谱组合方法. 本文目的就是从这两个问题出发来讨论我国现行《公路工程抗震设计规范》(JTJ004—89) (以下简称部规) 桥梁抗震部分中的几个需要解决的问题, 并给出了可以进一步研究的一点建议, 供目前正在制定的《桥梁抗震设计规范》前期研究工作参考.
1长周期反应谱取值
长周期反应谱问题是当前地震工程研究的一个热点问题. 其主要原因就是基于长周期结构的历史震害, 以及与随着我国经济建设发展, 高耸结构和大跨度桥梁建设的飞速发展迫切需要解决长周期反应谱取值问题有关, 而目前规范反应谱又不能涵盖长周期结构抗震的需要. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室完成的国内20多座大桥抗震分析, 从第一阶自振周期来看
收稿日期:1998-04-15第一作者:男, 1968年生, 博士生[1]:主跨1385m 的江阴长江公路大桥
第2期韦晓等:关于桥梁抗震设计规范反应谱若干问题225是19. 6s (前七阶振动周期均在5s 以上) ; 主跨为888m 的虎门大桥是11s ; 主跨602m 的杨浦大桥是12. 8s . 规范反应谱截止周期是5s , 因而不能满足大跨度桥梁抗震反应谱分析的要求.
为此, 现行部规反应谱长周期部分有两个问题需要解决:①长周期反应谱取值规定一个下平台值不尽合理; ②反应谱截止周期应当适当延长. 规范反应谱的一个显著特点是其具有统计特征. 部规加速度反应谱是国家地震局工程力学研究所根据900多条国内外强震记录, 按5%阻尼比得到的加速度反应谱, 并考
max , 是个值得探讨的问题. 虑安全经济因素后的统计结果. 规范规定长周期采用定值0. 3α实际强震记录计
算表明, 反应谱长周期段衰减很快. 事实上, 《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89) 的送审稿曾建议取消3s 以后0. 2αmax , 因为这样将导致位移反应谱是一上升曲线(如图1) . 加速度反应谱以一定值加以表示, 显然与实际情况不符, 因为T →∞时, 结构位移反应谱与地面最大位移一致. 根据加速度反应谱与位移反应谱近似关系S a =ωS d , 则加速度反应谱长周期部分应符合1/T 衰减规律. 南浦大桥抗震计算表明
222[1], 按规范反应谱谱值和对规范谱长周期用1/T 衰减规律修正这两种情况进行抗震分析, 桥墩弯距结果会相差1. 5
倍, 设计上无法接受. 因此没有必要定义0. 3这一下限值, 应当还物理规律之本来面目.
下一步问题是应当如何确定长周期反应谱? 目前解决问题的途径有2个:①大量布设宽频带加速度仪; ②采用地震学和工程地震学相结合方法, 利用现有记录反演长周期成分. 现有绝大多数记录是从当初的模拟记录强震仪得到的, 在0. 125Hz 以下频率段成分可信度很低, 这是仪器本身的问题; 另外原因是数字化处理和校正过程中许多长周期分量连同低频噪声一并滤掉. 大量布设宽频带强震仪是一个获得丰富低频成分反应谱的理想方法. 第二种方法是根据强震地面运动理论模拟面波对长周期分量的影响[2], 利用地震仪记录结果, 对长周期部分进行反演. 因为理论研究表明面波对强震地面运动中长周期分量有不可忽视的作用, 在一定条件下, 面波可能成为控制地面运动长周期的主要震相.
图1规范位移反应谱图2虎门大桥西塔主跨纵向位移反应包络图
Fig . 1Response spectrum of displacement
according to code Fig . 2Enveloping displacement response curve of Humen Bridge west tower in longitude direction response
2规范反应谱阻尼修正
不同阻尼影响反应谱取值有两个方面内容:①不同阻尼影响规范反应谱曲线形状; ②桥梁各振型阻尼比影响反应谱取值. 目前国内的抗震设计规范设计反应谱几乎都以5%的临界阻尼比为依据(核电站抗震设计规范除外) , 这对普通钢筋混凝土桥梁是适宜的. 但大跨度桥梁结构不同振型频率阻尼比往往小于5%.从同济大学对3座200多米的斜拉桥实测结果的资料来看, 各阶振型的阻尼比在1%～10%之间变化. 最近对主跨590m 的上海徐浦大桥实测结果表明1) , 低阶振型阻尼比甚至会小于1. 0%,因而对于不同振型应使用不同阻尼比. 从强震记录不同阻尼比反应谱计算对比看[4][3], 阻尼比不仅影响反应谱的形状, 而且对反应谱不同周期段的影响程度是不一样的, 但总的趋势是阻尼对长周期部分反应谱的影响小, 对高频部分影响大. 阻尼比取值或者不同振型阻尼比取值的不同会直接影响到地震反应的预测结果[1], 如图2所示. 而且随着结构控制技术、减震耗能措施的大量推广应用, 结构中不同构件之间的阻尼比会有很大的变化
.
1) 同济大学桥梁工程系. 徐浦大桥主桥动力特性分析研究报告之三:徐浦大桥主桥自振特性测定. 1997
226同济大学学报第27卷胡聿贤先生是我国最早考虑对加速度反应谱进行阻尼修正的学者. 他在60年代根据单自由度体系平稳随机反应分析和对强震记录的反应谱统计提出了一个修正公式
βT , ξ3. 6ξT α[5]:(1) =0. 05βT , ξ, αξ0. 156+3. 38ξ
从式(1) 可以看出, 他采用了T =0. 8s 和ξ=0. 05为基准点进行反应谱阻尼修正.
现行欧洲桥梁抗震设计规范1) 给出了反应谱阻尼修正公式
=7/2+7ηξ≥0.
其中ξ是以百分比形式表示. 显然式(2) 是以5%阻尼比反应谱作为基准.
[6](2) 日本桥梁抗震设计规范是最早采用反应谱阻尼修正的国家规范. 规范采用阻尼修正系数对反应谱
值进行修正, 它与振型阻尼系数h 1有关,
C D =1. 5/40h i +1+0. 5(3)
h i 与振型衰减系数h j 有关, 规范给出相应计算公式并根据不同的结构情况给出h j 的具体值.
上面给出的第一种修正方法侧重于地震动特性影响的描述, 后二者则侧重于结构的动力特性修正. 由于不同阻尼比的取值对反应谱短周期部分谱值影响较大, 因而对量大面广的短周期桥梁结构的地震反应预测精度会有较大影响, 我国新的桥规应对反应谱值进行不同阻尼比的谱值修正.
3规范反应谱取值跳跃问题
这个问题有两个方面需要解决:①场地类型不同产生的取值跳跃问题; ②烈度不同影响取值的跳跃问题. 目前抗震设防仍根据烈度进行设防, 而烈度是以整数形式表达. 烈度取整数形式是有其特殊背景的. 现行部规的基础是基于1980年的全国第二代烈度区划图, 它与1990年的第三代全国烈度区划图有很大的不同. 第二代区划图制定采用的是确定性的地震危险性分析方法, 是基于未来100年某一地方可能发生的最大地震烈度. 地震危险性分析确定烈度大小基于两个原则:①历史上在某一地区发生过的最大地震今后仍可能发生; ②某一断层构造上发生过的最大地震, 今后仍可以在此断层或性质相似的断层构造上发生, 即所谓的历史地震重演和构造类比原则, 基于这两个原则直接进行确定性的烈度区划. 第三代区划图作了改进, 采用了综合概率的地震危险性分析方法, 按各潜在震源计算对某一场地的烈度贡献, 给出了未来50年内超越概率10%的烈度大小. 对于一个具体场地第三代区划图分析结果并不一定是一整数形式, 取整的原则是采用7下8上的原则. 照此, 同样是7度区, 其烈度会在6. 8～7. 7度之间变化. 两个地区一个是7. 8度, 另一个是7. 7度的情况, 一个就要进行8度抗震设防, 而另一个则进行7度抗震设防, 结果是2个设防地面加速度会有一倍之差, 因而采用烈度的方法必然会产生这种不合理结果. 抗震规范对于这种烈度跳跃变化应如何处理? 取消烈度的概念, 是一条解决问题的途径. 目前第四代全国烈度区划图正在制定, 将给出加速度峰值的区划图, 新的规范应考虑与之衔接.
不同场地加速度反应谱取值跳跃是另一突出的问题. 部规采用地基允许承载力[σ0]来进行场地类别划分, 当两个场地实测结果为129kPa 和130kPa , 从数值上没有本质区别, 但根据规范, 两个场地土类别是Ⅳ类和Ⅲ类, 从而会使选取的加速度反应谱在某一周期段有明显的区别. 部规在附录中给出了采用剪切波速、质量密度和分层厚度评定场地指数的方法来确定反应谱. 该方法符合选用场地评定物理指标的发展趋势, 可以避免场地分类分界的矛盾. 但笔者认为用剪切波速仍有很大局限性, 不同场地和不同土类的剪切波速离散性较大, 另外桥梁大多建在江河岸边, 这种场地上剪切波速现场测试也有一定的困难. 笔者认为如能借助静力触探方法得到的各土层测试结果, 建立相应综合评定公式, 是值得推荐的方法.
4位移反应谱
目前的抗震设计方法实质上是基于强度的设计方法, 结构设计先通过折减弹性力来确定结构的设计强度水平, 并利用结构的延性能力来弥补结构强度的不足, 仅仅通过一个强度水平破坏指标并不能有效
1) Eurocode 8. Stru ctures in seismic re g ion s -desi g n . Part2:Brid g es . Drafts , A p ril , 1993
第2期韦晓等:关于桥梁抗震设计规范反应谱若干问题227地控制结构期望的破坏方式. 桥梁结构不同于建筑结构, 后者由于内部高次超静定, 一个部位的缺陷可以由其它途径来弥补. 前者往往是静定或低次静定, 单个构件或部件之间的破坏就会影响整个桥梁的功能, 它对地震位移十分敏感, 地震位移计算不当, 如低估地震位移, 相邻结构(如城市立交) 由于预留间距不足就会发生冲击破坏; 活动支座处座长设置不足会引起落梁和桥跨损坏.
近几年来, 国外学者发展一种新的抗震设计方法———基于位移的设计方法. 它以地震时结构的反应位移作为设计依据, 因为对于特定的破坏水准可以通过结构目标极限应变来标定, 以应变作为破坏水准, 同时可以适用于不同的破坏状态, 因而结构中受力水平可以通过位移来反算求解. 该方法物理概念清楚, 符合结构设计的发展要求, 因此有必要发展我国桥梁抗震设计基于位移的设计方法, 规范同时应当给出位移反应谱曲线. [7]
5反应谱振型组合方法
振型组合方法是反应谱理论的另一重要问题, 是影响桥梁地震反应预测精度的关键因素. 目前各国抗震规范采用的组合方法主要是基于平稳随机振动理论的SRSS , CQC 和DSC 法等一致激励振型组合方法. 最普遍的SRSS 法, 对于频率分离较好的平面结构的抗震计算有良好的精度, 为大多数国家的抗震设计规范所采用, 如我国现行部规, 美国的AASHT O 规范, 欧洲的Eurocode8规范. 该方法对于中小桥梁的地震反应计算有较高精度, 但对于频率密集的空间结构由于忽略了各振型间的耦合影响, 通常会过高或过低地估计结构的地震反应. CQC 法是80年代初W ilson 等人基于随机过程导出的比例阻尼线性多自由度体系振型组合规则, 较好地考虑了密集频率时的振型相关性, 克服了SRSS 法的不足. 欧洲规范和日本规范采用了这种振型组合方法作为对SRSS 法的补充. DSC 法是用振型相关系数考虑振型间耦合项影响, 所采用的振型相关系数是基于地面运动白噪声过程假定而得出的, 为新西兰桥梁抗震规范所采用.
CQC 法理论基础是随机振动理论, 它必须符合地震动是宽带过程和平稳随机过程的假定. 大跨度桥梁振动周期相对地面运动持时相对较长, 阻尼比较小, 结构地震反应在地面运动持时内过渡到弱平稳态有很大困难, 因而对地震反应主要贡献的振型多数处于非平稳态, 现有各种反应谱组合方法要准确估计各个振型之间的相关性有困难. 最近文献[8]基于一致虚拟激励原理提出了新的一种振型组合方法HOC (harm onic -or iented com bination ) , 它可以提高大跨度桥梁一致激励反应谱方法的预测精度. 但笔者认为一定意义上该方法是一种算法, 而且与其它方法比较的参考标准是时程分析结果, 时程分析结果很大程度上取决于输入地震动时程的频谱成分, 对其适用性有待进一步研究.
正在制定的桥梁抗震规范有意将其适用范围扩大到大跨度桥梁结构, 由于不同振型组合方法会导致不同的地震反应预测精度, 所以应当明确不同情况下采用不同振型组合方法的指导性条款. 另外当前反应谱组合方法主要是基于单分量地震动作用下的振型组合问题, 从大跨度桥梁抗震分析角度来看, 发展不同地震动分量作用下和多点激励下的地震反应振型组合, 并应用到我国规范中去尚有待进一步探究. 6采用多级抗震设计反应谱
多级抗震设防思想是在核电站抗震设计规范中首先提出来的. 核电站抗震设计要求满足安全运行地震(OBE ) 和安全停堆地震(SSE ) 两级设计地震动. 前者保证核电站在一般情况下不停止运行, 后者在特殊情况下不产生核扩散事故. 后来被逐渐推广到了另外一些重大工程中. 由于其先进的抗震设防思想, 很快被建筑、桥梁等结构专业规范所采纳. 我国现行建筑抗震设计规范已经采用了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的多级抗震设防思想, 运用两种大小的地震动进行抗震设计. 美国桥梁抗震设计规范和日本桥梁抗震设计规范也采用了这种抗震设防思想, 并规定了相应阶段的设计分析方法. 我国现行部规没有明确体现这一先进的抗震设计思想, 虽然采用了综合影响系数C z 来体现桥梁在遭受基本烈度时的非线性影响, 但工程师应用起来概念含糊, 设计上不能保证大震不倒的要求, 仍然是一阶段的抗震设计.
采用多级抗震设防要确定多级设防的超越概率以及相应的设计反应谱. 我国第三代烈度区划图是一个超越概率的烈度区划, 即50年超越概率10%,这针对量大面广的一般桥梁结构是合理的. 大跨度桥梁
228同济大学学报第27卷一般都以100年作为设计使用寿命, 因而应当对应100年超越概率的反应谱作为地震输入. 根据结构重要性确定相应的设计使用寿命和超越概率, 显然应在多级抗震设防中加以考虑. 在有些国家抗震规范中已考虑这一原则, 如美国ATC3规范对一般工业或民用建筑设防水准是50年超越概率10%,对陆海空三军重要房屋抗震设计指南规定设防标准是100年超越概率10%.正在制定的我国第四代烈度区划图给出的是地震动参数区划图. 由于区划图是针对量大面广的建(构) 筑物, 因而对大跨度桥梁桥规制定中仍然应当规定进行桥址的地震危险性分析. 但桥规应当从经济安全角度出发规范地震危险性分析的超越概率水准, 使得地震部门进行危险性分析时有章可循, 有利于大跨度桥梁的多级抗震设防分析与设计的实现.
7结论
通过上述讨论分析, 可以归纳几点结论与建议:
(1) 规范应体现多级抗震设防的设计思想. 抗震设防标准是桥梁抗震设计规范的重要组成部分, 它直接影响到桥梁建设安全和经济两方面内容. 显然过高估计设防标准有利于桥梁安全, 但不符合我国国情; 为了经济而不合理地降低或过低估计设防标准, 我们已经为之付出了惨重的代价. 采用基于概率的多级抗震设计方法有利于与桥梁结构可靠度设计方法相衔接.
(2) 改进当前规范中反应谱抗震分析的不足. 反应谱分析方法是目前结构抗震设计的主流方法. 由于桥梁结构自身的特殊性, 现行规范有关桥梁抗震设计反应谱分析中存在的上述几个主要问题应尽快加以解决, 并反映到我国目前正在制定的《桥梁抗震设计规范》之中, 以满足我国大规模的桥梁建设事业的需要.
(3) 采用基于位移与能力的设计方法. 当前基于弹性反应谱法的抗震设计存在很大的不确定性, 基于位移设计方法和能力设计方法相结合的方法是桥梁抗震设计的发展趋势. 位移设计方法以结构位移为设计依据, 可以充分考虑结构不同的破坏极限状态. 能力设计就是通过主要抗侧力体系构件应用恰当的设计和构造细部设计来作为强震下的延性耗能机构, 其它构件依据耗能机构的延性确定的强度进行设计, 以保证结构在地震作用下能按设计人员的要求位置进行耗能, 起到控制结构的目的. 因而在桥梁初步设计阶段可以用反应谱理论为主, 而细部构件设计以能力设计方法为主的桥梁抗震设计思想是规范发展的趋势, 这样可以克服弹性反应谱设计方法的不足.
参考文献
1
2
3
4
5
6
7
8范立础. 桥梁抗震. 上海:同济大学出版社, 1997章在墉, 王彬, 李文艺. 地震动长周期特性研究的现状及方法. 见:文集编委会主编. 地震工程研究文集. 北京:地震出版社, 1992. 457～463李国豪主编. 桥梁结构稳定与振动. 第2版. 北京:中国铁道工业出版社, 1997谢礼立, 周雍年, 胡成祥, 等. 地震动反应谱长周期特性. 地震工程与工程振动, 1990(1) :1～19胡聿贤. 地震工程学. 北京:地震出版社, 1988日本道路协会. 道路桥示文书. 同解说, v 耐震设计编. 东京都:丸善株式会社, 1996Priestle y M J N , S eib le F , Calvi G M . Seismic desi g n and retrof it of brid g es . New Y ork :J ohn W ile y ＆Sons , 1996王淑波. 大型桥梁抗震设计反应谱理论及应用研究:[学位论文]. 上海:同济大学桥梁工程系, 1997
第27卷第2期
1999年4月同济大学学报Vol . 27. No . 2A p r . 1999JOUR NAL OF T ONGJI UNIVER SIT Y
关于桥梁抗震设计规范反应谱若干问题
韦晓袁万城王志强范立础
(同济大学桥梁工程系, 上海, 200092)
摘要从桥梁抗震设计反应谱分析与设计角度出发, 讨论了当前我国《桥梁抗震设计规范》制订中关于反应谱
曲线和反应谱组合方法等几个需要解决的问题.
关键词
分类号规范反应谱; 长周期; 阻尼比; 振型组合; 多级抗震设防U422
Some Problems on Aseismic Desi g n Code Res p onse
S p ectrum for Brid g es
W ei Xiao Yuan W anchen g W an g Zhi q ian g Fan L ichu
(D ep artment of Bridge En gin eerin g , Tongji Un ivers it y , Shanghai , 200092)
Abstract In this p a p er , based on demand of aseism ic res p onse s p ectrum anal y sis and desi g n , som e ex istin g p roblems in aseismic design code for br idge structur es , such as long period response spectrum value and technique for response spectrum combination , are pointed out and the possible solution m ethods to them ar e also proposed .
Keywords Code response spectrum ; Long period ; Damping ratio ; Combination method of vibration mode ; Multilevel
aseism ic protection
在结构抗震理论发展中, 静力、反应谱和动力分析方法3个阶段的形成和发展是人类对自然规律认识的一个不断深入与完善的过程. 1942年M . A . Biot 明确提出了从强震记录中计算反应谱的概念, 1953年Housner 等人对此加以实现, 并在随后的加州抗震设计规范中首先采用了将反应谱理论作为抗震设计方法, 以取代过去的静力系数法. 由于反应谱理论不仅简单正确地反映了地震动的特性而且同时考虑了结构物的动力特性, 因而迅速在世界范围内得到了广泛的承认. 50年代后期, 这一抗震理论已基本取代了静力系数法, 从而奠定了反应谱理论在抗震设计中的主导地位.
使用反应谱方法进行桥梁结构的抗震分析首先需要解决两个问题:一是合理的地震动反应谱输入; 二是恰当的反应谱组合方法. 本文目的就是从这两个问题出发来讨论我国现行《公路工程抗震设计规范》(JTJ004—89) (以下简称部规) 桥梁抗震部分中的几个需要解决的问题, 并给出了可以进一步研究的一点建议, 供目前正在制定的《桥梁抗震设计规范》前期研究工作参考.
1长周期反应谱取值
长周期反应谱问题是当前地震工程研究的一个热点问题. 其主要原因就是基于长周期结构的历史震害, 以及与随着我国经济建设发展, 高耸结构和大跨度桥梁建设的飞速发展迫切需要解决长周期反应谱取值问题有关, 而目前规范反应谱又不能涵盖长周期结构抗震的需要. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室完成的国内20多座大桥抗震分析, 从第一阶自振周期来看
收稿日期:1998-04-15第一作者:男, 1968年生, 博士生[1]:主跨1385m 的江阴长江公路大桥
第2期韦晓等:关于桥梁抗震设计规范反应谱若干问题225是19. 6s (前七阶振动周期均在5s 以上) ; 主跨为888m 的虎门大桥是11s ; 主跨602m 的杨浦大桥是12. 8s . 规范反应谱截止周期是5s , 因而不能满足大跨度桥梁抗震反应谱分析的要求.
为此, 现行部规反应谱长周期部分有两个问题需要解决:①长周期反应谱取值规定一个下平台值不尽合理; ②反应谱截止周期应当适当延长. 规范反应谱的一个显著特点是其具有统计特征. 部规加速度反应谱是国家地震局工程力学研究所根据900多条国内外强震记录, 按5%阻尼比得到的加速度反应谱, 并考
max , 是个值得探讨的问题. 虑安全经济因素后的统计结果. 规范规定长周期采用定值0. 3α实际强震记录计
算表明, 反应谱长周期段衰减很快. 事实上, 《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89) 的送审稿曾建议取消3s 以后0. 2αmax , 因为这样将导致位移反应谱是一上升曲线(如图1) . 加速度反应谱以一定值加以表示, 显然与实际情况不符, 因为T →∞时, 结构位移反应谱与地面最大位移一致. 根据加速度反应谱与位移反应谱近似关系S a =ωS d , 则加速度反应谱长周期部分应符合1/T 衰减规律. 南浦大桥抗震计算表明
222[1], 按规范反应谱谱值和对规范谱长周期用1/T 衰减规律修正这两种情况进行抗震分析, 桥墩弯距结果会相差1. 5
倍, 设计上无法接受. 因此没有必要定义0. 3这一下限值, 应当还物理规律之本来面目.
下一步问题是应当如何确定长周期反应谱? 目前解决问题的途径有2个:①大量布设宽频带加速度仪; ②采用地震学和工程地震学相结合方法, 利用现有记录反演长周期成分. 现有绝大多数记录是从当初的模拟记录强震仪得到的, 在0. 125Hz 以下频率段成分可信度很低, 这是仪器本身的问题; 另外原因是数字化处理和校正过程中许多长周期分量连同低频噪声一并滤掉. 大量布设宽频带强震仪是一个获得丰富低频成分反应谱的理想方法. 第二种方法是根据强震地面运动理论模拟面波对长周期分量的影响[2], 利用地震仪记录结果, 对长周期部分进行反演. 因为理论研究表明面波对强震地面运动中长周期分量有不可忽视的作用, 在一定条件下, 面波可能成为控制地面运动长周期的主要震相.
图1规范位移反应谱图2虎门大桥西塔主跨纵向位移反应包络图
Fig . 1Response spectrum of displacement
according to code Fig . 2Enveloping displacement response curve of Humen Bridge west tower in longitude direction response
2规范反应谱阻尼修正
不同阻尼影响反应谱取值有两个方面内容:①不同阻尼影响规范反应谱曲线形状; ②桥梁各振型阻尼比影响反应谱取值. 目前国内的抗震设计规范设计反应谱几乎都以5%的临界阻尼比为依据(核电站抗震设计规范除外) , 这对普通钢筋混凝土桥梁是适宜的. 但大跨度桥梁结构不同振型频率阻尼比往往小于5%.从同济大学对3座200多米的斜拉桥实测结果的资料来看, 各阶振型的阻尼比在1%～10%之间变化. 最近对主跨590m 的上海徐浦大桥实测结果表明1) , 低阶振型阻尼比甚至会小于1. 0%,因而对于不同振型应使用不同阻尼比. 从强震记录不同阻尼比反应谱计算对比看[4][3], 阻尼比不仅影响反应谱的形状, 而且对反应谱不同周期段的影响程度是不一样的, 但总的趋势是阻尼对长周期部分反应谱的影响小, 对高频部分影响大. 阻尼比取值或者不同振型阻尼比取值的不同会直接影响到地震反应的预测结果[1], 如图2所示. 而且随着结构控制技术、减震耗能措施的大量推广应用, 结构中不同构件之间的阻尼比会有很大的变化
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1) 同济大学桥梁工程系. 徐浦大桥主桥动力特性分析研究报告之三:徐浦大桥主桥自振特性测定. 1997
226同济大学学报第27卷胡聿贤先生是我国最早考虑对加速度反应谱进行阻尼修正的学者. 他在60年代根据单自由度体系平稳随机反应分析和对强震记录的反应谱统计提出了一个修正公式
βT , ξ3. 6ξT α[5]:(1) =0. 05βT , ξ, αξ0. 156+3. 38ξ
从式(1) 可以看出, 他采用了T =0. 8s 和ξ=0. 05为基准点进行反应谱阻尼修正.
现行欧洲桥梁抗震设计规范1) 给出了反应谱阻尼修正公式
=7/2+7ηξ≥0.
其中ξ是以百分比形式表示. 显然式(2) 是以5%阻尼比反应谱作为基准.
[6](2) 日本桥梁抗震设计规范是最早采用反应谱阻尼修正的国家规范. 规范采用阻尼修正系数对反应谱
值进行修正, 它与振型阻尼系数h 1有关,
C D =1. 5/40h i +1+0. 5(3)
h i 与振型衰减系数h j 有关, 规范给出相应计算公式并根据不同的结构情况给出h j 的具体值.
上面给出的第一种修正方法侧重于地震动特性影响的描述, 后二者则侧重于结构的动力特性修正. 由于不同阻尼比的取值对反应谱短周期部分谱值影响较大, 因而对量大面广的短周期桥梁结构的地震反应预测精度会有较大影响, 我国新的桥规应对反应谱值进行不同阻尼比的谱值修正.
3规范反应谱取值跳跃问题
这个问题有两个方面需要解决:①场地类型不同产生的取值跳跃问题; ②烈度不同影响取值的跳跃问题. 目前抗震设防仍根据烈度进行设防, 而烈度是以整数形式表达. 烈度取整数形式是有其特殊背景的. 现行部规的基础是基于1980年的全国第二代烈度区划图, 它与1990年的第三代全国烈度区划图有很大的不同. 第二代区划图制定采用的是确定性的地震危险性分析方法, 是基于未来100年某一地方可能发生的最大地震烈度. 地震危险性分析确定烈度大小基于两个原则:①历史上在某一地区发生过的最大地震今后仍可能发生; ②某一断层构造上发生过的最大地震, 今后仍可以在此断层或性质相似的断层构造上发生, 即所谓的历史地震重演和构造类比原则, 基于这两个原则直接进行确定性的烈度区划. 第三代区划图作了改进, 采用了综合概率的地震危险性分析方法, 按各潜在震源计算对某一场地的烈度贡献, 给出了未来50年内超越概率10%的烈度大小. 对于一个具体场地第三代区划图分析结果并不一定是一整数形式, 取整的原则是采用7下8上的原则. 照此, 同样是7度区, 其烈度会在6. 8～7. 7度之间变化. 两个地区一个是7. 8度, 另一个是7. 7度的情况, 一个就要进行8度抗震设防, 而另一个则进行7度抗震设防, 结果是2个设防地面加速度会有一倍之差, 因而采用烈度的方法必然会产生这种不合理结果. 抗震规范对于这种烈度跳跃变化应如何处理? 取消烈度的概念, 是一条解决问题的途径. 目前第四代全国烈度区划图正在制定, 将给出加速度峰值的区划图, 新的规范应考虑与之衔接.
不同场地加速度反应谱取值跳跃是另一突出的问题. 部规采用地基允许承载力[σ0]来进行场地类别划分, 当两个场地实测结果为129kPa 和130kPa , 从数值上没有本质区别, 但根据规范, 两个场地土类别是Ⅳ类和Ⅲ类, 从而会使选取的加速度反应谱在某一周期段有明显的区别. 部规在附录中给出了采用剪切波速、质量密度和分层厚度评定场地指数的方法来确定反应谱. 该方法符合选用场地评定物理指标的发展趋势, 可以避免场地分类分界的矛盾. 但笔者认为用剪切波速仍有很大局限性, 不同场地和不同土类的剪切波速离散性较大, 另外桥梁大多建在江河岸边, 这种场地上剪切波速现场测试也有一定的困难. 笔者认为如能借助静力触探方法得到的各土层测试结果, 建立相应综合评定公式, 是值得推荐的方法.
4位移反应谱
目前的抗震设计方法实质上是基于强度的设计方法, 结构设计先通过折减弹性力来确定结构的设计强度水平, 并利用结构的延性能力来弥补结构强度的不足, 仅仅通过一个强度水平破坏指标并不能有效
1) Eurocode 8. Stru ctures in seismic re g ion s -desi g n . Part2:Brid g es . Drafts , A p ril , 1993
第2期韦晓等:关于桥梁抗震设计规范反应谱若干问题227地控制结构期望的破坏方式. 桥梁结构不同于建筑结构, 后者由于内部高次超静定, 一个部位的缺陷可以由其它途径来弥补. 前者往往是静定或低次静定, 单个构件或部件之间的破坏就会影响整个桥梁的功能, 它对地震位移十分敏感, 地震位移计算不当, 如低估地震位移, 相邻结构(如城市立交) 由于预留间距不足就会发生冲击破坏; 活动支座处座长设置不足会引起落梁和桥跨损坏.
近几年来, 国外学者发展一种新的抗震设计方法———基于位移的设计方法. 它以地震时结构的反应位移作为设计依据, 因为对于特定的破坏水准可以通过结构目标极限应变来标定, 以应变作为破坏水准, 同时可以适用于不同的破坏状态, 因而结构中受力水平可以通过位移来反算求解. 该方法物理概念清楚, 符合结构设计的发展要求, 因此有必要发展我国桥梁抗震设计基于位移的设计方法, 规范同时应当给出位移反应谱曲线. [7]
5反应谱振型组合方法
振型组合方法是反应谱理论的另一重要问题, 是影响桥梁地震反应预测精度的关键因素. 目前各国抗震规范采用的组合方法主要是基于平稳随机振动理论的SRSS , CQC 和DSC 法等一致激励振型组合方法. 最普遍的SRSS 法, 对于频率分离较好的平面结构的抗震计算有良好的精度, 为大多数国家的抗震设计规范所采用, 如我国现行部规, 美国的AASHT O 规范, 欧洲的Eurocode8规范. 该方法对于中小桥梁的地震反应计算有较高精度, 但对于频率密集的空间结构由于忽略了各振型间的耦合影响, 通常会过高或过低地估计结构的地震反应. CQC 法是80年代初W ilson 等人基于随机过程导出的比例阻尼线性多自由度体系振型组合规则, 较好地考虑了密集频率时的振型相关性, 克服了SRSS 法的不足. 欧洲规范和日本规范采用了这种振型组合方法作为对SRSS 法的补充. DSC 法是用振型相关系数考虑振型间耦合项影响, 所采用的振型相关系数是基于地面运动白噪声过程假定而得出的, 为新西兰桥梁抗震规范所采用.
CQC 法理论基础是随机振动理论, 它必须符合地震动是宽带过程和平稳随机过程的假定. 大跨度桥梁振动周期相对地面运动持时相对较长, 阻尼比较小, 结构地震反应在地面运动持时内过渡到弱平稳态有很大困难, 因而对地震反应主要贡献的振型多数处于非平稳态, 现有各种反应谱组合方法要准确估计各个振型之间的相关性有困难. 最近文献[8]基于一致虚拟激励原理提出了新的一种振型组合方法HOC (harm onic -or iented com bination ) , 它可以提高大跨度桥梁一致激励反应谱方法的预测精度. 但笔者认为一定意义上该方法是一种算法, 而且与其它方法比较的参考标准是时程分析结果, 时程分析结果很大程度上取决于输入地震动时程的频谱成分, 对其适用性有待进一步研究.
正在制定的桥梁抗震规范有意将其适用范围扩大到大跨度桥梁结构, 由于不同振型组合方法会导致不同的地震反应预测精度, 所以应当明确不同情况下采用不同振型组合方法的指导性条款. 另外当前反应谱组合方法主要是基于单分量地震动作用下的振型组合问题, 从大跨度桥梁抗震分析角度来看, 发展不同地震动分量作用下和多点激励下的地震反应振型组合, 并应用到我国规范中去尚有待进一步探究. 6采用多级抗震设计反应谱
多级抗震设防思想是在核电站抗震设计规范中首先提出来的. 核电站抗震设计要求满足安全运行地震(OBE ) 和安全停堆地震(SSE ) 两级设计地震动. 前者保证核电站在一般情况下不停止运行, 后者在特殊情况下不产生核扩散事故. 后来被逐渐推广到了另外一些重大工程中. 由于其先进的抗震设防思想, 很快被建筑、桥梁等结构专业规范所采纳. 我国现行建筑抗震设计规范已经采用了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的多级抗震设防思想, 运用两种大小的地震动进行抗震设计. 美国桥梁抗震设计规范和日本桥梁抗震设计规范也采用了这种抗震设防思想, 并规定了相应阶段的设计分析方法. 我国现行部规没有明确体现这一先进的抗震设计思想, 虽然采用了综合影响系数C z 来体现桥梁在遭受基本烈度时的非线性影响, 但工程师应用起来概念含糊, 设计上不能保证大震不倒的要求, 仍然是一阶段的抗震设计.
采用多级抗震设防要确定多级设防的超越概率以及相应的设计反应谱. 我国第三代烈度区划图是一个超越概率的烈度区划, 即50年超越概率10%,这针对量大面广的一般桥梁结构是合理的. 大跨度桥梁
228同济大学学报第27卷一般都以100年作为设计使用寿命, 因而应当对应100年超越概率的反应谱作为地震输入. 根据结构重要性确定相应的设计使用寿命和超越概率, 显然应在多级抗震设防中加以考虑. 在有些国家抗震规范中已考虑这一原则, 如美国ATC3规范对一般工业或民用建筑设防水准是50年超越概率10%,对陆海空三军重要房屋抗震设计指南规定设防标准是100年超越概率10%.正在制定的我国第四代烈度区划图给出的是地震动参数区划图. 由于区划图是针对量大面广的建(构) 筑物, 因而对大跨度桥梁桥规制定中仍然应当规定进行桥址的地震危险性分析. 但桥规应当从经济安全角度出发规范地震危险性分析的超越概率水准, 使得地震部门进行危险性分析时有章可循, 有利于大跨度桥梁的多级抗震设防分析与设计的实现.
7结论
通过上述讨论分析, 可以归纳几点结论与建议:
(1) 规范应体现多级抗震设防的设计思想. 抗震设防标准是桥梁抗震设计规范的重要组成部分, 它直接影响到桥梁建设安全和经济两方面内容. 显然过高估计设防标准有利于桥梁安全, 但不符合我国国情; 为了经济而不合理地降低或过低估计设防标准, 我们已经为之付出了惨重的代价. 采用基于概率的多级抗震设计方法有利于与桥梁结构可靠度设计方法相衔接.
(2) 改进当前规范中反应谱抗震分析的不足. 反应谱分析方法是目前结构抗震设计的主流方法. 由于桥梁结构自身的特殊性, 现行规范有关桥梁抗震设计反应谱分析中存在的上述几个主要问题应尽快加以解决, 并反映到我国目前正在制定的《桥梁抗震设计规范》之中, 以满足我国大规模的桥梁建设事业的需要.
(3) 采用基于位移与能力的设计方法. 当前基于弹性反应谱法的抗震设计存在很大的不确定性, 基于位移设计方法和能力设计方法相结合的方法是桥梁抗震设计的发展趋势. 位移设计方法以结构位移为设计依据, 可以充分考虑结构不同的破坏极限状态. 能力设计就是通过主要抗侧力体系构件应用恰当的设计和构造细部设计来作为强震下的延性耗能机构, 其它构件依据耗能机构的延性确定的强度进行设计, 以保证结构在地震作用下能按设计人员的要求位置进行耗能, 起到控制结构的目的. 因而在桥梁初步设计阶段可以用反应谱理论为主, 而细部构件设计以能力设计方法为主的桥梁抗震设计思想是规范发展的趋势, 这样可以克服弹性反应谱设计方法的不足.
参考文献
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