台湾海峡跨海大桥抗震设计的思考

(总第93期) 2005年第3期
福 建 建 筑
Fujian A rchitecture&Constructi on
Vol・93
No3・2005台湾海峡跨海大桥抗震设计的思考3
卓秋林　卓卫东
(福州大学土木建筑工程学院　福州　350002)
摘　要:台湾海峡大桥是21世纪的一项伟大工程,由于台湾海峡所处的地质条件和台湾海峡跨海大桥的功能作用,台湾海峡大桥的抗震设计十分重要。

本文分析比较了各种大跨桥型的抗震特点,并讨论了地震地面运动的空间性对各桥型地震反应的影响,进而提出了台湾海峡大桥在方案比选时应注意的一些抗震设计问题。

关键词:台湾海峡　桥型方案　抗震设计
中图分类号:U44215 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2005)03-0089-03
Con si dera ti on s of se is m i c D esi gn for Large-span Br i dges over the Ta i wan Stra it
Zhuo Q iu-lin　Zhuo W ei-dong
(College of Civil and A rchitectural Engineering,Fuzhou University,350002)
Abstract:The B ridge acr oss the Tai w an Strait is a great p r oject in21century1Because of the geol ogical structure of the l ocati on and the i m portance of the bridge,the seis m ic design of the bridge is very i m portant1The characteristics of earthquake resistance of different types of large-s pan bridges are compared in this paper1The effects of s patial variability of earthquake gr ound moti on on seis m ic res ponses of large-s pan bridges are als o discussed1Some considerati ons of seis m ic design for the bridge acr oss the Tai w an Strait in the stage of p r oject selecti on are p resented1
Keywords:Tai w an Strait;p r oject selecti on of bridges;seis m ic design
1　概述
台湾海峡位于中国大陆东南,连接于东海与南海之间,呈北东、南西走向,长度375k m,宽度约120～350k m,东北段较窄,西南段较宽。

海峡地形总体上的特征是:西南(台湾浅滩)高,水深在10～30m之间;东北(台湾海峡盆地)低,水深在40～60m之间;东南部分则更低。

澎湖水道最大水深为185m,台湾岛西南侧海底峡谷水深达200～1000m以上。

台湾海峡的大地构造位于欧亚板块东角边缘,属东海大陆架的一部分,处于菲律宾板块和欧亚板块碰撞带中的前沿后侧,居于板块内部。

台湾海峡的地质构造为不对称状、西北高而东南低的半堑型断陷盆地,其边界的主要断层大都为平行海峡的北东向断层,盆地南北两端为北西及东西向断层所切割。

台湾海峡的大构造特征以及历史和现状地震特征,都说明了台湾海峡地震属于浅源地震,震源深度只有几十千米。

由于台湾海峡的断层基本上都是平行海峡的北东向断层,因此,海峡大桥工程的部分桥跨不可避免会穿越这些断层,而这些断层对台湾海峡大桥的抗震是极其不利的。

这就要求台湾海峡大桥在方案比选时就需要考虑抗震设计的问题,以保证大桥在地震作用下保持其应有的功能。

本文通过对各种大跨桥型抗震特点的分析比较,以及地震地面运动的空间性对各桥型地震反应的影响分析,探讨了台湾海峡大桥在方案比选时应注意的一些抗震设计问题。

2　大跨桥梁的震害
台湾海峡大桥是跨海大桥,其方案的选择只能是大跨度桥梁。

大跨桥梁因结构上的柔性,一般具有较好的抗震性能。

尽管如此,在最近的几次中强地震中,历来声誉较好的大跨度桥梁也有不少遭受震害的实例,主要表现为边跨脱落、支承系统以及细部结构破坏等。

例如,在1989年美国的Loma Prieta 地震中,奥克兰海湾大桥引桥公路桥面脱落;在1995年阪神地震中,位于震区的四座大跨度桥梁也发生了不同程度的震害,其中西宫港大桥(主跨252m的钢系杆拱桥)第一跨引桥脱落,另一座主跨485m的斜拉桥边跨锚墩上的钢摇轴支座栓钉脱落,而主跨为1990m的明石海峡大桥,当时已完成的结构部分虽未见损伤,但桥塔和锚台均发生较大的位移;1999年台湾9121大地震中,一座斜拉桥的主塔根部也遭到严重破坏。

历史震害现象表明,对位于强震区的大跨度桥梁进行抗震设计是必需的。

通过对大跨桥梁震害的进一步分析,可将其震害的起因分为以下几类[1]:
1)由于砂土液化、地基下沉、岸坡滑移或开裂而引起基础的破坏,从而导致桥梁的倒塌。

2)因桥梁结构形式、构造或连接措施不当而引起上部结构脱落等震害。

3)桥梁各支承点的地面运动不一致引起的震害。

4)桥墩本身抗震能力不足引起的破坏,包括强度和延性不足。

实际上,造成大跨桥梁震害的原因是复杂的,往往是由多方面的因素共同起作用。

因此,在台湾海峡方案比选时就需要从抗震设计概念出发,认真研究不同桥型方案的抗震设计要点。

3　各种大跨度桥梁的抗震特点
连续刚构、拱桥、斜拉桥和悬索桥等桥梁结构形式均能实
现台海大桥的大跨径要求,这些桥形在抗震方面有各自的特点,在桥型方案选择时应该考虑到它们之间的区别,以便进行合理的选择。

311大跨连续刚构桥
连续刚构桥除了保持连续梁桥的优点外,还能节省支座费用,减少下部结构的工程量,特别适合用于大跨度、高桥墩的情况。

但是,连续刚构桥由于受到温度应力的限制,其连续桥长不宜过长。

高桥墩一般采用柔性薄壁墩,利用其柔性以适应各种外力所引起的纵向位移。

国内外建成了许多座大跨度的预应力混凝土连续刚构桥,目前最大跨度已达301m,为1998年建成的挪威St ol m a桥。

从结构抗震的角度看,连续刚构桥由于将连续梁体与薄壁桥墩固结,提高了结构的整体性,所以,体系有利于抗震。

另外,由于连续刚构桥中间跨没有支座,所以,既可以通过对边跨支座施加纵向弹性约束提高其整体的抗震性能[2],也可以采用基础隔震技术,以获得更佳的抗震性能[3]。

但对跨海大桥,若要采用基础隔震技术,则应采取一定的保护措施,以免因长期受水流冲刷、海水腐蚀等影响使隔震层失效。

采用连续刚构桥桥型时,除了可采取减、隔震措施外,在结构抗震设计时还应该注重以下两个方面[1]:
1)通过抗震概念,设计选择一个较好的结构体系;
2)通过正确的延性设计,使结构能依靠其延性能力抵抗地震。

312大跨拱桥
大跨度拱桥结构形式多种多样,可分为上承式、中承式和下承式三种类型。

按其材料组成,可以分为石拱桥、混凝土拱桥、钢拱桥和钢管混凝土拱桥。

拱桥由于水平推力的存在,使拱内产生轴向压力,大大降低了跨中弯矩,使得跨越能力大增。

目前,拱桥的最大跨径已达到550m,为2003年建成的上海卢浦大桥,其结构形式为钢拱桥。

据理论推算,混凝土拱桥的极限跨度可达500m,钢拱桥极限跨度可达1200m左右。

在跨径并不太大的情况下,拱桥是斜拉桥和悬索桥的强有力竞争对手。

由于拱桥是以受压为主的结构,如果其两端的拱脚在地震中产生较大的位移,则将改变合理的拱轴线,使拱桥遭受严重破坏。

因此,铁路工程抗震设计规范规定[4]:地震区的拱桥不应跨越断层。

此外,拱桥的主要承重构件--主拱的轴压比一般较高,延性设计困难而且不可靠。

因此,欧洲规范规定[5],“在恒载和设计地震作用下,拱桥的轴压比较高,塑性区的延性设计可能不可靠,因此,桥梁最好保持弹性”。

根据台湾海峡的地质构造特征和拱桥本身的抗震特性,台湾海峡大桥若采用拱桥方案,则结构抗震设计的难度相当大,首先要尽可能做到拱桥桥跨不跨越断层;另外,应尽可能采取适当的减震措施,以减小结构的地震反应。

313大跨斜拉桥
斜拉桥是由索、塔、梁三种基本构件组成的一种大跨桥型,具有造型美观、跨越能力强等优点。

与悬索桥相比,斜拉桥无需笨重的锚固装置,抗风性能又优于悬索桥。

在跨度小于1000m的范围内,斜拉桥和悬索桥方案难分高低。

目前,斜拉桥的最大跨径已经超过1000m,正在建设的江苏苏通大桥跨径达到1088m。

根据国内外专家的分析研究,斜拉桥最大跨径可达1300m。

由于斜拉桥的主梁和下部基础等各部分构件的自振周期和阻尼系数相差较大,因此,在斜拉桥的地震反应中,不论是在低次还是高次振型中,各部分构件自身的振动特性都会影响到全桥振动,这就导致延性设计比较困难。

由于其地震反应的特殊性,斜拉桥抗震设计的重点,应放在体系的选择和减隔震措施的运用方面,以力求减小地震力并实现地震力的合理分配。

在进行体系选择前,应进行简单的地震反应分析。

斜拉桥的地震反应分析,应同时采用反应谱法和时程分析法,并相互校核。

采用反应谱分析方法时,应充分考虑高阶振型的影响,即所计算的振型阶数应包括所有贡献较大的振型。

在体系选择方面,考虑到台湾海峡大桥所处的地震烈度较高,若采用塔梁固结体系,虽然其整体刚度好,地震作用下位移较小,但是内力却很大;而采用密索的漂浮或半漂浮体系,虽可以使地震作用下内力较小,但位移过大。

比较理想的方案是选择塔梁弹性约束体系,兼顾桥梁的强度和变形能力,取得内力和位移之间的协调,使内力和位移都保持不大的状态,保证桥梁有良好的抗震性能。

由于不对称约束体系不利于两塔抗震能力的充分发挥,不是一种理想的抗震体系[6],对烈度较高的台湾海峡大桥应避免。

另外,采用A字桥塔和双索面体系,可增强对横向摆动的约束作用。

在减隔震措施方面,斜拉索和桥面的锚固可采用阻尼器进行连接,以减小桥面振动。

314大跨悬索桥
悬索桥由主缆、主塔、锚锭和加劲梁组成,具有跨越能力大、受力合理等优点,最能发挥材料的强度优势。

悬索桥是最适合用于大跨度的一种桥梁形式,目前世界上跨径最大的悬索桥,为1998年建成的日本明石海峡大桥,其跨径为1990m。

据分析,悬索桥的跨径将能够达到3000～5000m。

虽然迄今为止,尚未发现大跨悬索桥在地震中遭到破坏的实例,但是,由于悬索桥自身的重要性,其抗震问题已经引起全世界的关注。

悬索桥为柔性结构,基本周期长,在地震作用下的受力一般不会很大,塔柱一般不会屈服进入塑性工作阶段。

因此,如果采用悬索桥结构,其抗震设计比较简单,可分两个阶段进行:
1)用反应谱方法和时程分析方法相互校核,进行地震反应初步分析,对结构体系的抗震性能进行初步评价;
2)对桥梁进行细致的地震反应分析,验算结构的内力及变形,确保抗震的安全性。

由于大跨悬索桥在动力计算时,会出现明显的振型分组现象,即以主梁振动为主的振型最先出现,而后是索的振动和梁的高阶振型,以塔为主的振型在较后面出现[7],所以,在采用反应谱方法计算地震力时,为了正确计算主塔的贡献,要计算足够的阶数。

4　地震地面运动空间变化性的影响
地震时从震源释放出来的能量以波的形式传到地表,在地面上不同的点接收到的地震波,可能经过不同的路径、不同的地形和不同的地质条件,反映在地表上的振动当然不会完全相同,而是存在一定的差异,这就是地震地面运动的空间变化性。

各国现行的桥梁抗震设计规范中,除了欧洲规范有考虑地面运动的空间变化性外,其他的都采用地面一致振动假设,即结构各支点的地震波完全相同。

这种假定对于中小跨径桥梁是可以接受的,但是对于大跨径桥梁,地震地面运动的
空间变化是显著的,可能对结构的地震反应产生重要的影响。

所以,在台海大桥抗震设计时,必须考虑地面运动的空间变化性。

目前,国内外学者对不同结构形式的大跨径桥梁的多点激励效应进行了大量的研究工作。

其中,研究最多的是斜拉桥多点激励效应的影响,但目前的观点并不一致,甚至差异较大;不同桥梁结构型式对多点激励的敏感程度也存在较大的差异。

总的说来,在大跨度桥梁抗震设计中,行波效应是不可忽略的。

以下,简要介绍各种大跨桥梁结构多点激励的反应特征。

411大跨连续刚构桥
文献[8]以某一预应力混凝土连续刚构桥为研究对象,进行了多点激励效应分析;分析结果表明,多点激励对刚构桥的地震反应影响相当大。

文献[9]对一座四跨对称预应力混凝土连续刚构进行了行波效应分析,并与一致激励情况相比较;分析结果表明,行波效应对桥墩产生有利影响,而对主梁产生不利的影响。

412大跨拱桥
大跨度拱桥对多点激励比较敏感。

文献[10]以万州长江大桥为工程背景进行的研究表明,非一致地震激励对结构的反应有较大的影响,使得拱脚内力、拱顶的位移及内力显著增大,其中拱顶弯矩更是增大412倍之多。

文献[11]以贵州江界河桥为背景,对大跨拱桥进行了行波效应分析;同济大学土木工程防灾国家重点实验室对广州丫髻沙大桥抗震性能进行研究,地震输入分别考虑了一致激励、行波输、多点输入三种情况。

他们对拱桥的多点激励问题的结论基本上是一致的,即考虑行波效应时,结构地震反应将会显著增大。

413大跨斜拉桥
文献[12]以天津永和桥为研究对象,讨论了行波效应对斜张桥飘浮方案地震反应的影响。

结果表明,行波效应对斜张桥是有利的。

文献[11]针对南浦大桥分析行波效应,其结论与文献[12]的基本一致。

文献[13]同样以永和桥为实例,采用三维空间模型,然而,分析结论同文献[12]的结论存在较大差异,认为行波效应可能使斜拉桥地震反应显著增大。

文献[14]在对斜拉桥进行详细分析之后,得出的主要结论是:非一致激励可能导致反应位移和构件力的显著增长,尤其是对刚度较大的斜拉桥和场地差异较大情况。

尽管已有的研究结论并不完全一致,但都充分说明了考虑地震动的空间变化性对结构地震反应的影响,是准确评价大跨斜拉桥抗震性能的重要环节。

414大跨悬索桥
文献[15]和文献[16]均以金门大桥为研究对象,研究多点激励效应。

他们均指出,一致激励并不能代表最不利的情况,往往明显高估或低估某些反应,并随主跨增长差异更大,尤其是跨中剪力;同时,行波效应对悬索桥的影响非常显著;此外,当主跨较大时,相干性损失的影响也不可忽视。

文献[17]研究了江阴长江公路大桥悬索桥在考虑相位差时的情况,结果表明,相位差虽使该桥的地震反应增大,但影响程度可以忽略,并认为其原因是由于结构的总体柔性大,因而由拟静力分量的参与所导致的总反应增长幅度相对来说较小。

综上所述,大跨度桥梁的多点激励和行波效应问题非常复杂,对不同的桥型可能得到完全不同的结果。

在台湾海峡跨海大桥抗震设计中,应该针对不同的桥型特点,分析多点激励和行波效应的影响。

5　结语
台湾海峡跨海大桥是21世纪的一项伟大工程,它的筹建和运营具有深刻的经济和政治意义。

鉴于台湾海峡跨海大桥在地震作用下的安全性事关重大,应该非常慎重地进行结构的抗震设计。

本文探讨了大跨度桥梁应注意的一些抗震设计问题,以供台湾海峡大桥在方案比选时参考。

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