经验交流：21世纪斜张桥的抗震问题（二）

2桥梁的抗震设计思路
在上述国家的抗震规范中，共同点是强震下不允许倒塌，但一定程度的破坏是可以接受的，也就是我们所说的“强震不能倒塌，中震可以修复”。AASHTO规范定义了可接受的损伤程度，即柱中的弯曲屈服(无剪切损伤)，并且这种损伤必须是可检测的和可修复的(在地面和水平线以上)。该定义被其他规范广泛采用，尤其是在弯曲破坏类型中。但有些规范放宽了对位置的要求，特别是允许在桩身、桩排架和桥台后翼墙处屈服。即使在AASHTO规范中，强震的定义也很模糊，但一般认为475年发生一次的地震可以称为强震。在频繁发生但规模小得多的情况下，要求桥梁基本保持弹性运行状态(无损伤)，对此状态没有专门的验算规定。
明确或至少部分要求双层设计，包括日本规范和Caltrans/ATC修订规范。所谓双水平设计，是指中震下的截面承载力设计和强震下的变形能力设计。在每种情况下，为两个不同的重现期定义了两组地震荷载，并且清楚地测试了桥梁在两种荷载下的性能。在美国加州交通部的规范中，对重要桥梁和一般桥梁在功能性评价地震(发生概率为30% ~ 40%)和安全性评价地震(现场可能发生的烈度地震，重现期为1000年)作用下的可接受损伤程度和使用状态进行了定性定义。除了日本，所有代码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)，参考了世界各国的公路工程抗震设计规范，提出了一些改进美国公路桥梁抗震设计规范的建议，其中最重要的是采用两级抗震设计方法。
一般认为，要求桥梁在强震时处于弹性状态是不经济的，但处于非弹性状态是不可避免的。结构的极限承载力用来限制构件的内力在规定值以内，但相应的结构位移要求可能比较高。可能出现的特殊构件的延性要求(如塑性铰的转动)需要在塑性铰附近进行特殊设计，防止塑性铰的破坏和结构的倒塌。所有基于能力设计的抗震规范的一个共同特点是注重构件的细节，以保证结构在塑性变形后的整体性。历次地震中桥梁的震害使人们认识到，要提高桥梁的抗震能力，不仅要依靠结构的强度，还要充分重视增强结构的延性(变形能力)。从国家规范的修订可以看出，抗震设计方法正在从传统的强度理论向延性抗震理论转变。
我国现行的桥梁抗震设计规范还很不完善，无论是铁路桥还是公路桥，还是基于强度设防的设计方法，即按照折减弹性地震反应进行抗震设计。但对结构的延性要求没有明确规定，只要求墩柱的配箍率和构造，以保证结构的延性。因此，迫切需要对我国现行的地震规范进行修订和补充，使之提高到一个新的先进水平。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教授的带领下，从事桥梁抗震研究已有20多年。研究内容包括大跨度桥梁、城市立交和城市高架桥的抗震设计方法、桥梁的隔震设计以及相应计算机软件的编制。
90年代初，南浦大桥抗震设计中首次提出了二级抗震设计方法。此后，用同样的方法研究了20多座桥梁、城市立交桥和城市高架桥。20多年来，积累了大量的科研成果，桥梁抗震设计思想日趋成熟。在此基础上，从1998年开始，范教授将正式主持制定《城市桥梁抗震设计规范》。的
减震隔震设计思想是利用材料或装置的耗能性能来降低结构的地震反应，是一种经济有效的方法。近年来，世界各国对结构的隔震设计进行了大量的研究。比如弹性支座隔震系统就是目前可以采用的最简单的隔震方式，其中普通板式橡胶支座结构简单，性能稳定，在桥梁中得到了广泛的应用。法国Brotonne预应力混凝土斜张桥的两个塔顶上有12个橡胶支座，已通车3 . 2亿年，使用情况良好。此外，几种带耗能装置的橡胶支座也取得了研究成果，如1975年新西兰学者研制的铅芯橡胶支座，我国袁万成博士研制的利用弯曲钢带耗能的橡胶减震支座等。PTFE滑动轴承是另一种应用广泛的隔震轴承。通过选择合适的隔震装置和设置位置，可以达到控制结构内力大小和分布的目的。目前，隔震和结构控制已成为工程抗震的热点之一。在第9、10、11届世界地震工程大会上，隔震和结构控制被列为对未来地震工程有重要影响的先进技术。
3桥梁抗震设计方法
常用的结构抗震设计方法有两种:地震度法和动力分析法，动力分析法包括反应谱法和时程分析法。
前期的地震反应分析多采用地震度法，即假设结构各部分与地震动同向振动，将结构在地震动加速度下的惯性力作为静力施加于结构进行抗震验算。惯性力的公式为:
，其中w为结构的自重，k为地震动峰值加速度与重力加速度g的比值，这种方法计算简单，但忽略了结构本身的动力特性，因此会导致对结构抗震能力的错误判断。
动力分析法比地震法有很大的改进，既考虑了地震动，又考虑了结构的动力特性。反应谱方法中的一个重要概念是动力放大系数，或标准化反应谱。定义为:
β(ω，ξ) = | u+ug | max/ug，max
，其中右项的分子为单点系的绝对加速度响应，分母为地面加速度响应的峰值。