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类社会对结构抗震进行反思的历史目前还仅仅只有100年。上世纪四五十年代，工程师们才开始在公路工程规范中列入抗震设计条款。自1971年美国圣佛尔南多地震之后，现代公路工程开始了真正意义上的抗震设计。近30年来，1989年的美国洛马普列塔地震、1995年的日本阪神地震等，为工程师们带来更多的经验和教训，让他们可以在检验以往抗震设计施工技术的基础上，发展新的技术。 技术是难点 当前，地震工程研究的发展在内容上，由传统做法逐渐转向高新技术的应用，在组织形式上，从以单体研究为主过渡到组织合作研究，从工程师单方面研究过渡到工程师与地震学家、地质学家、社会学家联合研究。学科的交叉、融合及扩展，材料科学、信息技术等新成果的应用,是现阶段公路工程抗震学科发展的重要特征。现阶段，公路工程抗震包含强震监测、结构振动控制等在内的8项技术工作。 作为地震工程的基础性工作，强震监测以1933年在美国长滩取得世界上第一个强震记录为标志，至今已有70多年。目前，强震观测工作正朝着观测与综合应用的阶段发展。同时，GPS和GIS技术的引入，使得强震观测向着可靠、易维护、小型化、智能化方向发展。 结构振动控制较之以校核或验算为主的抗震设计，才是真正的设计，它使得结构采取针对地震的特殊布局。结构振动控制可以克服现行抗震设计的不足。美国、日本等经济发达国家对主动控制的研究较多，而中国、俄罗斯等国家对被动控制的研究则更加充分。 特殊和重大工程与一般工程抗震设防在地震动参数、具体场地和地震条件的考虑、结构抗震设防水准上有不同之处。日本在建造九州-四国跨悬索桥的时候，即制定了不同于一般规范的专门抗震设计准则。 结构破坏分析和防倒塌分析设计长期受到重视，原因是利用结构非弹性阶段的巨大耗能作用可以达到经济和安全的防倒塌目的，更重要的是，近代观测数据多次表明，建筑物有可能遭受到预料不到的特大地震动峰值加速度。 在地基破坏与变形的估计中，边坡滑动和砂土液化是地基抗震稳定性中研究最多的。 基于性能的抗震设计基本出发点是通过多级抗震设计、位移控制、非线性分析以及非结构构件和设备的抗震分析，综合考虑设计、施工、验收等各个环节，使抗震结构达到预期性能、满足使用者预期的功能要求。目前，美国学者已经提出了基于性能设计的理论框架，并从特定类型结构入手，对其具体实施了一系列探索，研究成果已经纳入了有关的抗震设计规范。 工程结构的健康诊断指的是通过测量结构的某些参数、利用结构动力分析方法和反演理论，进而判断结构抗力的理论和技术。这一领域的研究是推进安全工程和防灾工程进展的基础。 通过各国的地震实践表明，地震应急和震后救灾技术对于政府按照应急预案采取快速应急反应与对策，减少地震造成的损失，都是十分重要的。日本在1995年的阪神地震中由于政府对震灾损失估计不足，导致了救灾迟缓。地震发生后，采取得力的救灾措施和技术是减少人员伤亡的有力手段，遗憾的是，目前世界各国对此研究还不是很充足。 规范在不断补充 公路工程抗震在技术规范方面通常被世界各国相互借鉴、补充，并且每次典型的大地震之后，抗震规范都要根据结构震害情况进行及时的修改和补充。美国的AASHTO规范、Caltrans准则、日本规范和我国规范分别在抗震设防水准、地震作用、地震反应计算分析方法、延性设计和抗震设计方法等进行了比较和研究。 在抗震设防水准上，美国的AASHTO规范将场地位于加速度系数大于0.29的桥梁划分为重要桥梁和一般桥梁，并依据加速度系数和桥梁结构的重要性，将抗震性能等级划分为A、B、C、D4类作为结构抗震设计的最低要求；在Caltrans准则中，所有桥梁被划分为重要桥梁和一般桥梁，并要求对所有桥梁结构都按照抗震性能准则进行抗震设计；日本则将桥梁划分为一般重要桥梁和特别重要桥梁两类，地震水平分为两级，进行三级水准抗震设防；在我国，对结构重要性引入“重要性系数”，采用单一水平设计的方法，以强度破坏为目标准则。 在地震作用的比较中，美国的AASHTO规范采用的是50年超越概率为10（重现期475年）的地震加速度区划图，并规定对重要或特殊桥梁进行专门研究；Caltrans准则采用了场地最大可能地震动加速度；日本的规范中将地震荷载分成两级3类，其中第一级为桥梁使用寿命期间发生概率较大的地震，标准地震加速度为0.3g（g=9.8米每平方秒，下同）,仅包含1类，第二级中第1类标准加速度最大为1.0g，第2类标准加速度最大为2.1g；我国的89规范采用烈度区划，规范给出烈度和地面加速度最大值之间的对应关系。 在地震反应分析计算方法上，美国的AASHTO规范采用的分析方法主要有均布荷载法、反应谱法、动力时程分析法；Caltrans准则中的方法主要有等效静力、弹性动力分析、非弹性静力分析；日本主要采用地震系数法、弹塑性拟静力法、动力时程分析法；我们国家规定分析计算方法采用反应谱理论，但对于路基、挡土墙、桥台、隧道等公路工程，由于自振特性研究很少，仍然采用静力法计算地震作用。 在延性设计上，美国AASHTO规范、Caltrans准则和日本规范均有详细的延性设计规定；而我国公路工程抗震设计规范对于钢筋混凝土及预应力混凝土结构和砖石及混凝土结构，采用分项安全系数的极限状态验算，对于地基和支座等采用容许应力法验算。 减隔震技术的应用尚处于起步阶段，写入规范的历史不长，但美国AASHTO规范、Caltrans准则和日本规范等已经有相关的减震、耗能设计条文。 中国公路抗震研究 20世纪50年代中期，地震工程纳入了我国的国家计划，1956年前后我国编制了第一个地震区划图，直到1964年形成了工程抗震设计草案，最早规定了公路工程的抗震设计。1966年以后，我国发生了一系列破坏性地震，为了保障公路工程的安全，70年代初期，交通部组织公路工程抗震设计规范的编制工作，并于1977年颁布（试行），后来，根据抗震技术的发展需要，1989年进行了修订，并一直沿用至今。 1976年的唐山大地震，促成交通系统的抗震分析和研究得到重视和发展。全国各专业研究所对桥梁震害进行了大量的调查研究，这些调查报告为分析不同桥梁体系抗震性能，研究合理设计方法，提供了最基础的资料。唐山大地震之后，我国的地震工作者和工程结构抗震研究者对工程结构的抗震研究取得了举世瞩目的成绩，特别是在拱桥的抗震研究方面，其技术一直居于世界领先水平。 一直以来，交通运输部非常重视公路工程结构的抗震研究，在交通西部项目中，已经结题或正在开展的项目有公路路基结构抗震设计方法研究、桥梁抗震性能评价及抗震加固技术研究、震后桥梁性能评价及加固技术研究等。同时，公路工程抗震规范的编制工作一直受到重视。1998年，在交通部的支持下，交通部公路规划设计院承担了中国地震局下达的研究任务“公路工程结构重要性分类及抗震设防标准研究”，该课题于2000年通过中国地震局的审查验收。2006年，交通部又组织了对公路工程抗震规范的修订。 由于我国台湾频发破坏性地震，当地的地球科学研究人员和政府当局亦非常重视地震研究工作。台湾地区“中央研究院”地球科学研究所地震研究室于20世纪70年代初在台湾各地进行了一系列的地震研究工作，其中包括地震预测研究，主要防止高速公路、工业区及核能发电厂等兴建时遭到意外灾害和损失。在抗震设计规范方面，1960年以来，台湾地区使用的桥梁设计规范已经经过了3次修订。1960年以前，有几个设计指南规范用于桥梁设计，其中一些是参照日本的规范。1960年，台湾地区交通部门颁布了标准规范，称之为“公路桥梁工程设计规范”，用于公路桥梁设计与施工。这些规范参照美国1953年版的AASHTO桥梁设计规范。1987年，根据1977年版的AASHTO桥梁设计规范又再进行了修订。后来，这个规范根据1992年版的AASHTO规范和1990年日本出版的抗震规范又进行了修订，但规范的抗震设计部分没有大的改动。 美日桥梁加固计划 1971年，圣佛尔南多地震使加州高德（Golder）州际高速公路上的60多座桥梁受到损害，此后，美国加州交通局开始启动桥梁抗震加固计划，该计划包括3个阶段。第一阶段是在伸缩缝和铰处安装拉杆，以防止落梁破坏，这种抗震措施成本最低，但是效果非常明显。这一阶段的目的是加强上部结构和下部结构的联系，以抵抗竖向加速度，防止上部结构构件从支座上滑落。第二阶段，随着1987年惠蒂尔(Whittier)等地震中约束措施的失效，加州交通局要求旧桥加固后必须具备与新桥一样的抗震能力。针对当时的桥梁震害情况，此阶段主要进行独柱式桥墩的加固。在第三阶段中，以提高墩柱的抗弯强度，抗剪强度及延性为主要方法，加固多柱式桥墩，提高盖梁、上部结构、基础与桥台的承载能力，提高节点的抗剪强度。 作为地震频发的国家，日本于1971年、197