人類社會對結構抗震進行反思的歷史目前還僅僅只有100年。上世紀四五十年代,工程師們才開始在公路工程規范中列入抗震設計條款。自1971年美國圣佛爾南多地震之后,現代公路工程開始了真正意義上的抗震設計。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驗和教訓,讓他們可以在檢驗以往抗震設計施工技術的基礎上,發展新的技術。
技術是難點
當前,地震工程研究的發展在內容上,由傳統做法逐漸轉向高新技術的應用,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家、地質學家、社會學家聯合研究。學科的交叉、融合及擴展,材料科學、信息技術等新成果的應用,是現階段公路工程抗震學科發展的重要特征。現階段,公路工程抗震包含強震監測、結構振動控制等在內的8項技術工作。
作為地震工程的基礎性工作,強震監測以1933年在美國長灘取得世界上第一個強震記錄為標志,至今已有70多年。目前,強震觀測工作正朝著觀測與綜合應用的階段發展。同時,GPS和GIS技術的引入,使得強震觀測向著可靠、易維護、小型化、智能化方向發展。
結構振動控制較之以校核或驗算為主的抗震設計,才是真正的設計,它使得結構采取針對地震的特殊布局。結構振動控制可以克服現行抗震設計的不足。美國、日本等經濟發達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防在地震動參數、具體場地和地震條件的考慮、結構抗震設防水準上有不同之處。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范的專門抗震設計準則。
結構破壞分析和防倒塌分析設計長期受到重視,原因是利用結構非彈性階段的巨大耗能作用可以達到經濟和安全的防倒塌目的,更重要的是,近代觀測數據多次表明,建筑物有可能遭受到預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定性中研究最多的。
基于性能的抗震設計基本出發點是通過多級抗震設計、位移控制、非線性分析以及非結構構件和設備的抗震分析,綜合考慮設計、施工、驗收等各個環節,使抗震結構達到預期性能、滿足使用者預期的功能要求。目前,美國學者已經提出了基于性能設計的理論框架,并從特定類型結構入手,對其具體實施了一系列探索,研究成果已經納入了有關的抗震設計規范。
工程結構的健康診斷指的是通過測量結構的某些參數、利用結構動力分析方法和反演理論,進而判斷結構抗力的理論和技術。這一領域的研究是推進安全工程和防災工程進展的基礎。
通過各國的地震實踐表明,地震應急和震后救災技術對于政府按照應急預案采取快速應急反應與對策,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損失估計不足,導致了救災遲緩。地震發生后,采取得力的救災措施和技術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。
規范在不斷補充
公路工程抗震在技術規范方面通常被世界各國相互借鑒、補充,并且每次典型的大地震之后,抗震規范都要根據結構震害情況進行及時的修改和補充。美國的AASHTO規范、Caltrans準則、日本規范和我國規范分別在抗震設防水準、地震作用、地震反應計算分析方法、延性設計和抗震設計方法等進行了比較和研究。
在抗震設防水準上,美國的AASHTO規范將場地位于加速度系數大于0.29的橋梁劃分為重要橋梁和一般橋梁,并依據加速度系數和橋梁結構的重要性,將抗震性能等級劃分為A、B、C、D4類作為結構抗震設計的最低要求;在Caltrans準則中,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構都按照抗震性能準則進行抗震設計;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,進行三級水準抗震設防;在我國,對結構重要性引入“重要性系數”,采用單一水平設計的方法,以強度破壞為目標準則。
在地震作用的比較中,美國的AASHTO規范采用的是50年超越概率為10%(重現期475年)的地震加速度區劃圖,并規定對重要或特殊橋梁進行專門研究;Caltrans準則采用了場地最大可能地震動加速度;日本的規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生概率較大的地震,標準地震加速度為0.3g(g=9.8米每平方秒,下同),僅包含1類,第二級中第1類標準加速度最大為1.0g,第2類標準加速度最大為2.1g;我國的89規范采用烈度區劃,規范給出烈度和地面加速度最大值之間的對應關系。
在地震反應分析計算方法上,美國的AASHTO規范采用的分析方法主要有均布荷載法、反應譜法、動力時程分析法;Caltrans準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法、彈塑性擬靜力法、動力時程分析法;我們國家規定分析計算方法采用反應譜理論,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。
在延性設計上,美國AASHTO規范、Caltrans準則和日本規范均有詳細的延性設計規定;而我國《公路工程抗震設計規范》對于鋼筋混凝土及預應力混凝土結構和磚石及混凝土結構,采用分項安全系數的極限狀態驗算,對于地基和支座等采用容許應力法驗算。
減隔震技術的應用尚處于起步階段,寫入規范的歷史不長,但美國 AASHTO規范、Caltrans準則和日本規范等已經有相關的減震、耗能設計條文。
中國公路抗震研究
20世紀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劃圖,直到1964年形成了工程抗震設計草案,最早規定了公路工程的抗震設計。1966年以后,我國發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計規范的編制工作,并于1977年頒布(試行),后來,根據抗震技術的發展需要,1989年進行了修訂,并一直沿用至今。
1976年的唐山大地震,促成交通系統的抗震分析和研究得到重視和發展。全國各專業研究所對橋梁震害進行了大量的調查研究,這些調查報告為分析不同橋梁體系抗震性能,研究合理設計方法,提供了最基礎的資料。唐山大地震之后,我國的地震工作者和工程結構抗震研究者對工程結構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,其技術一直居于世界領先水平。
一直以來,交通運輸部非常重視公路工程結構的抗震研究,在交通西部項目中,已經結題或正在開展的項目有公路路基結構抗震設計方法研究、橋梁抗震性能評價及抗震加固技術研究、震后橋梁性能評價及加固技術研究等。同時,公路工程抗震規范的編制工作一直受到重視。1998年,在交通部的支持下,交通部公路規劃設計院承擔了中國地震局下達的研究任務“公路工程結構重要性分類及抗震設防標準研究”,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《公路工程抗震規范》的修訂。
由于我國臺灣頻發破壞性地震,當地的地球科學研究人員和政府當局亦非常重視地震研究工作。臺灣地區“中央研究院”地球科學研究所地震研究室于20世紀70年代初在臺灣各地進行了一系列的地震研究工作,其中包括地震預測研究,主要防止高速公路、工業區及核能發電廠等興建時遭到意外災害和損失。在抗震設計規范方面,1960年以來,臺灣地區使用的橋梁設計規范已經經過了3次修訂。1960年以前,有幾個設計指南規范用于橋梁設計,其中一些是參照日本的規范。1960年,臺灣地區交通部門頒布了標準規范,稱之為“公路橋梁工程設計規范”,用于公路橋梁設計與施工。這些規范參照美國1953年版的AASHTO橋梁設計規范。1987年,根據1977年版的AASHTO橋梁設計規范又再進行了修訂。后來,這個規范根據1992年版的AASHTO規范和1990年日本出版的抗震規范又進行了修訂,但規范的抗震設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上部結構和下部結構的聯系,以抵抗豎向加速度,防止上部結構構件從支座上滑落。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。針對當時的橋梁震害情況,此階段主要進行獨柱式橋墩的加固。在第三階段中,以提高墩柱的抗彎強度,抗剪強度及延性為主要方法,加固多柱式橋墩,提高蓋梁、上部結構、基礎與橋臺的承載能力,提高節點的抗剪強度。
作為地震頻發的國家,日本于1971年、1976年、1979年、1986和1991年先后5次完成對公路橋梁地震震害調查。其中1971年和1976年的兩次調查目的是調查可能發生落梁的橋梁;1979年和1986年的兩次調查目的是調查破壞性地震中公路橋梁防止上部結構落梁的措施、液化影響及鋼筋混凝土橋墩的強度。1995年阪神地震之前,上部結構防止落梁的措施一直是橋梁結構的抗震加固重心。此后,日本也開始重視基礎和橋墩的抗震加固技術。