現(xiàn)代城市橋梁抗震性能評估及其安全對策

劉 鑫

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市人口的加速增長，人們對由城市道路橋梁構(gòu)成的交通線的依賴性在不斷增強(qiáng)。當(dāng)交通受到破壞時，就會給人們的生命財產(chǎn)帶來嚴(yán)重的損失。縱觀歷史上的大地震可以發(fā)現(xiàn)，有好多次都是發(fā)生在城市之中，比如我國的唐山大地震、美國的舊金山大地震、日本的十勝沖大地震等。發(fā)生在城市中的地震會導(dǎo)致建筑物和橋梁的倒塌，而橋梁的倒塌會導(dǎo)致救援隊(duì)伍無法及時到達(dá)災(zāi)區(qū)，大量的救援物資也難以及時運(yùn)送到需要的地方；災(zāi)后救援工作不能順利進(jìn)行使受災(zāi)人員難以在最快的時間內(nèi)脫離危險，增加了救災(zāi)難度，擴(kuò)大了人民的生命財產(chǎn)損失。因此，對現(xiàn)代城市橋梁進(jìn)行抗震性能評估及有效的抗震設(shè)計，并采取一定的安全對策具有極其重要的意義。

1 城市橋梁抗震性能的現(xiàn)狀和橋梁抗震性能評估重要性

據(jù)統(tǒng)計表明，我國現(xiàn)狀有幾十萬座橋梁。在這幾十萬座橋梁中，大約有60%的橋梁位于地震強(qiáng)度在七級以上的地區(qū)，其中又有相當(dāng)大比例的橋梁位于城區(qū)中心和近郊。一旦這些地區(qū)發(fā)生地震，橋梁結(jié)構(gòu)難免會受地震作用的影響，造成一定程度甚至嚴(yán)重的損壞。因此有必要對城市橋梁采用可靠的抗震性能評估方法進(jìn)行抗震性能評估，并依據(jù)抗震性能評估結(jié)果采取相應(yīng)的設(shè)計和加固措施，以提高橋梁的抗震能力，確保能夠在地震災(zāi)害下降低損失，保障結(jié)構(gòu)安全和人民生命財產(chǎn)安全。

我國現(xiàn)有城市橋梁基本可以分為三類，第一類是在1977年之前修建的，這類橋梁修建時我國還沒有公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范，因此這類橋梁對地震的影響沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，隨機(jī)性大，抗震性能不佳。第二類是在1977-2008年修建的，這類橋梁修建時是按照1977年及1989年年頒布的《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》修建的。這類橋梁雖然考慮了抗震設(shè)防，但是還存在各種結(jié)構(gòu)損傷，不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。第三類是按最新《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》和《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》的抗震設(shè)計要求設(shè)計并修建的橋梁。這類橋梁在修建時充分考慮了抗震性能，但經(jīng)過一段時間的運(yùn)營使用后，需要加強(qiáng)監(jiān)測與維護(hù)。因此對現(xiàn)有橋梁進(jìn)行抗震性能評估，并采取適當(dāng)?shù)目拐鸺庸檀胧菢O為必要的，且具有重要的意義。

2 能力譜方法在橋梁抗震性能評估中的應(yīng)用

一般情況下，橋梁抗震性能的評估分為兩部分，一部分是橋梁在地震作用下的反應(yīng)評估；另一部分是橋梁所具有的抗震能力的評估。通常通過橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、位移延性、剛度等參數(shù)指標(biāo)來確定橋梁在特定震動下的抗震性能。橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能評估是工程抗震學(xué)科的重要組成部分，是抗擊地震這一自然災(zāi)害，減輕地震損失的重要環(huán)節(jié)。在抗震性能評估中，位移延性是重要的指標(biāo)之一，以Pushover分析為基礎(chǔ)的能力譜方法能夠考察結(jié)構(gòu)在地震下的彈塑性位移響應(yīng)，是抗震性能評估的一種有效手段。

2.1 能力譜方法的原理

將橋梁結(jié)構(gòu)由Pushover分析得到的荷載位移曲線轉(zhuǎn)化為能力譜（Capacity Spectrum）曲線，并與由加速度反應(yīng)譜通過A-D轉(zhuǎn)換得到的需求譜（Demand Spectrum）曲線繪制在同一張圖上，通過圖解或數(shù)值方法尋找能力譜與需求譜交點(diǎn)。能力譜和需求譜曲線的交點(diǎn)稱之為性能點(diǎn)(Performance Point)，它表示結(jié)構(gòu)在地震激勵下的位移峰值和對應(yīng)的加速度響應(yīng)。

所謂A-D轉(zhuǎn)換，即：

式中：Ti表示結(jié)構(gòu)周期；Sa表示反應(yīng)譜加速度；Sd表示譜位移。那么就可以用Sd為橫軸，Sa為縱軸繪出地震需求譜的曲線，如圖1所示。需求譜是由地震加速度反應(yīng)譜得到的，因此能力譜方法適用于單自由度體系（SDOF）。

圖1 地震需求譜曲線圖

在發(fā)生地震的震蕩過程中，有些橋梁結(jié)構(gòu)滿足1階振型，所以等效的單自由度體系(ESDOF)可以由下式建立，將Pushover分析得到的荷載，位移曲線轉(zhuǎn)換成能力譜曲線。

在彈性體系中，求解結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的反應(yīng)譜方法就是能力譜方法。彈性體系的地震響應(yīng)不但與輸入地震的特性有關(guān)，而且結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和位移延性能力都會影響到它。位移延性不同，自然結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)也就不同，會有一定程度的折減，且強(qiáng)度折減系數(shù)如下式所示：

式中：f0表示結(jié)構(gòu)始終保持彈性狀態(tài)時的峰值強(qiáng)度；fy表示結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度；A表示結(jié)構(gòu)彈性加速度響應(yīng)峰值，Ay表示相應(yīng)于屈服強(qiáng)度的擬加速度。

由此可知，圖1a.所示的彈性反應(yīng)譜不能在地震體系為彈塑性體系中應(yīng)用求解。現(xiàn)階段，能力譜方法中較為常用的有兩種，一種是等效線性化方法，另一種是基于彈塑性反應(yīng)譜的改進(jìn)能力譜方法。

2.2 能力譜方法在橋梁抗震性能評估中的優(yōu)勢

（1）能力譜方法可以針對指定地震波進(jìn)行分析，能夠在在實(shí)橋中指出不同條件和地震烈度對橋梁結(jié)構(gòu)的要求，為橋梁抗震性能評估提供了方法和定量判斷。

（2）能力譜方法從原則上說適應(yīng)于單自由度體系，對于高階振型影響不可忽視的結(jié)構(gòu)，可將結(jié)構(gòu)振型分解為若干個等效的單自由度體系后再采用能力譜方法求解性能點(diǎn)，最后在對各部分組合，得到整體的地震響應(yīng)，達(dá)到抗震性能評估作用。

（3）在橋梁的抗震設(shè)計中考慮目標(biāo)位移，引入多級抗震設(shè)防水準(zhǔn)，能力譜方法可以定量描述結(jié)構(gòu)性能水平，并對地震引起的結(jié)構(gòu)的彈塑性做出響應(yīng)。

（4）經(jīng)應(yīng)用計算證實(shí)，能力譜方法得到的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值與彈塑性時程分析很相近。因此，能力譜方法可以解決彈塑性體系中存在的問題，且不需要進(jìn)行迭代計算。

3 城市橋梁抗震設(shè)計的安全對策

如果只是通過被動的強(qiáng)度抗震設(shè)防是不可能起到很好的效果的，這是因?yàn)榈卣鹪斐傻牡孛孢\(yùn)動具有無規(guī)律的隨機(jī)運(yùn)動性。有相關(guān)文獻(xiàn)通過假定地震強(qiáng)度相同，同時加入一些不利因素，使得實(shí)際的地震力增強(qiáng)到以前的4倍。然后再在以前地震勘測的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行特定的設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上加入不利因素，這時實(shí)際地震力就會達(dá)到之前的8倍左右，甚至?xí)_(dá)到10倍以上。因此判斷，單純根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來進(jìn)行抵御地震的設(shè)計是不現(xiàn)實(shí)，不科學(xué)的。而通過分析實(shí)際的地震災(zāi)害，就可以發(fā)現(xiàn)，較大的地震水平力也是造成城市橋梁損害嚴(yán)重的因素之一。

因此目前的《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ166-2011）在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)方面采用多種級別，同時將能力設(shè)計引入到對橋梁的抗震設(shè)計中。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，高架橋是非常容易損毀的，因此城市橋梁設(shè)計時應(yīng)在多級設(shè)防的原則下對橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)控制、延變形、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定等進(jìn)行綜合考慮，同時應(yīng)逐步改掉傳統(tǒng)的“以剛克剛”的抗震設(shè)防觀念，使用“以柔克剛”這一新的原則，來作為震區(qū)城市橋梁防震設(shè)計的根本出發(fā)點(diǎn)。

4 結(jié)語

對城市橋梁進(jìn)行抗震性能評估，然后依據(jù)抗震性能評估結(jié)果采取相應(yīng)的設(shè)計和加固措施，從而提高橋梁的抗震能力，這樣能夠在地震災(zāi)害下最大限度地保障人民生命財產(chǎn)安全。因此，研究一種可靠的橋梁抗震性能評估方法就顯得尤為重要。本文就現(xiàn)代城市橋梁的抗震性能評估方法進(jìn)行探討，并針對橋梁的抗震設(shè)計提出了一些建議，希望能夠給以后的設(shè)計提供幫助。

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