橋梁抗震研究進(jìn)展分析

吳志敏 莫昭莉 歐陽常偉

摘要：橋梁抗震理論和技術(shù)的研究成果，決定著橋梁抗震設(shè)計(jì)理論未來的發(fā)展方向。文章針對(duì)第十六屆世界工程大會(huì)關(guān)于橋梁抗震方面的研究進(jìn)行總結(jié)分析，主要涉及了橋墩碰撞和接觸問題、橋梁地震反應(yīng)分析、橋梁耗能方法研究、大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)、基于地震可恢復(fù)性橋梁減震措施等方面的研究成果。

關(guān)鍵詞：橋梁抗震;研究進(jìn)展;震后可恢復(fù)體系

The research results of bridge seismic theory and technology determine the future development direction of bridge seismic design theory.This article summarizes and analyzes the research on bridge seismic resistance in 16th World Engineering Congress，mainly involving the research results on bridge pier collision and contact problems，bridge seismic response analysis，bridge energyconsumption method research，seismic design of largespan bridges，and bridge damping measures based on seismic recoverability etc.

Bridge seismic;Research progress;Recoverable system after earthquake

0 引言

2017-01-09至2017-01-13，由世界地震工程協(xié)會(huì)主辦的第十六屆世界工程大會(huì)在智利圣地亞哥順利舉行，相關(guān)國際會(huì)議組織官員、專家和學(xué)者共計(jì)2 493人參加。此次大會(huì)共有5個(gè)主題報(bào)告、2個(gè)辯論專題、4個(gè)特邀報(bào)告以及3個(gè)特別紀(jì)念專題。本屆會(huì)議收錄論文2 130篇，反映了當(dāng)今世界在地震工程領(lǐng)域最前沿的研究成果。“可恢復(fù)性，地震工程的新挑戰(zhàn)”（Resilience，the new challenge in earthquake engineering）的口號(hào)形象地突出了此次大會(huì)的可恢復(fù)性的抗震理念。

1 特邀報(bào)告橋梁抗震方面內(nèi)容

1.1 大跨度橋梁健康監(jiān)測(cè)研究

來自于加拿大哥倫比亞大學(xué)的Venturaa C.E.教授的學(xué)術(shù)報(bào)告“Realtime Damage Assessment”[1]，闡述了結(jié)構(gòu)地震監(jiān)測(cè)和損傷檢測(cè)的研究狀況。在報(bào)告中，他持續(xù)監(jiān)測(cè)了加州20世紀(jì)70年代的一座橋梁的周期變化，了解結(jié)構(gòu)健康狀況的變化情況。同時(shí)，為了研究判斷有無損傷和損傷定位的方法，他測(cè)試了RC簡(jiǎn)支梁Dogna Bridge在完好狀態(tài)和人為損傷狀態(tài)下的振動(dòng)測(cè)試。大跨度橋梁在地震作用下的表現(xiàn)一直是學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)，同時(shí)也是健康監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象。在報(bào)告中，Venturaa C.E.教授列舉了很多實(shí)際案例：美國Celebi M.[2]等采集了Caroquinez懸索橋2014年地震時(shí)的加速信號(hào)，分析出該橋的阻尼和頻率，并與正常狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比分析，討論了此懸索橋的振動(dòng)特性;日本學(xué)術(shù)者Fujino Y.等[3]討論分析了大跨度斜拉橋橫濱大橋多年的地震監(jiān)測(cè)結(jié)果得來的經(jīng)驗(yàn);Lau D.T.等[4]研究人員通過對(duì)Confederation大橋進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的健康監(jiān)測(cè)，改進(jìn)了計(jì)算模型，完善了監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

1.2 基于地震可恢復(fù)減震措施研究

意大利國家新能源研究中心的Clemente P.[5]在報(bào)告中對(duì)全世界的隔震和耗能裝置在實(shí)踐中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，全世界已經(jīng)有超過30個(gè)國家采用了隔震或者耗能系統(tǒng)。在這些國家當(dāng)中，日本在橋梁施工中所采用的減震裝置大多是高阻尼橡膠支座，其實(shí)際應(yīng)用在橋梁抗震減震工程中的案例最多。中國在2013年采用橡膠支座的橋梁已經(jīng)達(dá)到了400座，采用耗能裝置的橋梁已達(dá)到200座;美國已經(jīng)有1 000座橋梁安裝了高阻尼橡膠支座;同樣，俄羅斯超過100座橋梁采用隔震裝置。

1.3 大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)

中國同濟(jì)大學(xué)李建中教授的報(bào)告[6]，詳細(xì)介紹了中國在大跨度橋梁方面（懸索橋、斜拉橋、拱橋）的研究現(xiàn)狀，并且全面闡述了地震設(shè)計(jì)方法、減震措施等方面的內(nèi)容。在其分析過程中將構(gòu)件分為兩部分：第一部分為關(guān)鍵構(gòu)件（key component），如主塔、基礎(chǔ)等;第二部分為次要構(gòu)件（nonkey component），如支座、伸縮裝置等。根據(jù)可檢測(cè)性（inspectability）、可替換性（replaceability）和可維修性（retrofitability）三個(gè)方面確定設(shè)計(jì)水平的性態(tài)目標(biāo)，為抗震設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。同時(shí)李建中教授介紹了同濟(jì)大學(xué)多功能振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行多項(xiàng)橋梁試驗(yàn)性研究的情況。

2 專題報(bào)告關(guān)于橋梁抗震方面研究

橋梁抗震專題報(bào)告主要包括以下幾個(gè)方面：（1）橋塔抗震性能;（2）橋梁地震反應(yīng)分析;（3）易損性分析;（4）碰撞與接觸;（5）橋梁振動(dòng)測(cè)試;（6）隔震設(shè)計(jì)和減震裝置;（7）地震動(dòng)的選取和合成;（8）其他。各研究所占比例如圖1所示。

2.1 橋墩抗震性能研究

橋墩抗震研究方面包括了普通橋墩抗震性能、ABC橋墩抗震性能、橋墩加固后抗震性能、橋墩易損性分析、橋塔抗震分析等。各研究所占比例如圖2所示。

普通橋墩抗震性能研究是通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)以完善地震作用下的延性設(shè)計(jì)橋墩的本構(gòu)關(guān)系。主要是基于拉力偏移影響的單元改進(jìn)方法，研究低周疲勞、損傷累計(jì)、鋼筋屈服、扭矩、主筋截?cái)嗟纫蛩赜绊懴拢招木匦味铡蚨张c擴(kuò)大基礎(chǔ)的連接。Lara O.[7]將兩個(gè)普通混凝土墩柱放在振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，模擬地震荷載

作用下的損傷情況，并提出考慮損傷累計(jì)和低周疲勞共同作用下的橋墩本構(gòu)模型。

ABC橋墩國內(nèi)俗稱預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩，其抗震性能在國內(nèi)研究甚多。之所以成為熱點(diǎn)方向，與以下兩個(gè)原因密不可分：（1）在橋梁建設(shè)中，對(duì)于城市化橋梁建設(shè)，使用節(jié)段預(yù)制拼接技術(shù)不僅可以節(jié)約時(shí)間，減少環(huán)境污染，而且可以很好地提高建筑質(zhì)量，減少壽命周期成本，完全符合國家對(duì)裝配式建筑推廣的要求;（2）預(yù)制拼裝橋墩連接方式較好，可以成為搖擺墩，成為地?fù)p傷構(gòu)件，符合可恢復(fù)性設(shè)計(jì)理念。ABC橋墩根據(jù)連接方式的不同分為高損傷ABC橋墩和低損傷ABC橋墩。高損傷ABC橋墩是通過灌漿管或插座式連接形成的橋墩，其形式與整體澆筑相近，抗震性能接近整體澆筑橋墩，容易形成塑性鉸;低損傷ABC橋墩是通過無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋或者耗能器組成的混合連接結(jié)構(gòu)。在地震作用下，地震能量被耗能器所消耗，不會(huì)對(duì)橋墩造成損傷。對(duì)于高損傷或者低損傷ABC橋墩，學(xué)者M(jìn)asal M.和Palermo A.[8]對(duì)這兩類橋墩進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)分析，從而驗(yàn)證了ABC橋墩的抗震特點(diǎn)。

高損傷ABC橋墩研究主要是針對(duì)不同連接措施的抗震性能影響進(jìn)行的。Li C.等[9]以整體澆筑墩為參考對(duì)比，對(duì)墩底固結(jié)的4個(gè)無黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段拼裝墩進(jìn)行反復(fù)荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：耗能鋼筋雖然可以提高節(jié)段拼裝墩的耗能能力，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的位移;剪力鍵可以阻止節(jié)段間產(chǎn)生滑移，但其會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成局部出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。AlJelawy H.等[10]對(duì)灌漿拼裝連接方式進(jìn)行了改進(jìn)，使塑性鉸位置移至灌漿管上方，確保延性，并通過擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行分析驗(yàn)證，解決了灌漿拼裝連接而導(dǎo)致的連接鉸變形，進(jìn)而減少位移延性、造成墩永久失效的問題。

低損傷橋墩研究主要是針對(duì)橋墩本身與承臺(tái)連接方式的不同對(duì)搖擺橋墩抗震性能的影響進(jìn)行的。搖擺墩和其他構(gòu)件相互作用，這種思路是新西蘭學(xué)者Palermo A.[11]提出的。兩種構(gòu)件之間通過無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力來保證其自復(fù)位功能，通過在搖擺面中加入鋼阻尼等耗能裝置來增大抵抗彎矩和阻尼，進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，分析得出橋梁搖擺墩和其他構(gòu)件的相互影響。MSDSC和MCT兩種滯回模型是在分析耗能鋼筋的自復(fù)位橋墩時(shí)常常采用的兩種模型。臺(tái)灣科技大學(xué)的研究學(xué)者Ou Yu-Chen等[12]運(yùn)用這兩種模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析了等效黏滯阻尼計(jì)算最大位移時(shí)所需要的重要參數(shù)，從MCT模型中得出的阻尼比MSDSC模型得出的要高很多。學(xué)者Guerrini G.等[13]對(duì)雙柱式鋼管混凝土

自復(fù)位橋墩進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬，并與傳統(tǒng)橋墩進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)自復(fù)位橋墩有很多傳統(tǒng)橋墩所沒有的優(yōu)點(diǎn)：低損傷、維修費(fèi)用低、對(duì)周圍影響較小等。Chegini Z.和Palermo A.等[14]在橋梁上部結(jié)構(gòu)運(yùn)用混合搖擺低損傷連接技術(shù)，進(jìn)行縮尺擬靜力試驗(yàn)，分析了在此技術(shù)的運(yùn)用下橋梁的抗震性能。

研究學(xué)者對(duì)橋墩加固后的抗震性能也做了進(jìn)一步的研究。Jung D.和Andrawes B.[15]對(duì)橋墩進(jìn)行加固時(shí)采用記憶合金材料，并通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)加固后的橋墩進(jìn)行抗震性能研究。除利用記憶合金外，UHPFRC材料也是橋墩加固的優(yōu)選材料。對(duì)后張法預(yù)制拼裝橋墩的損傷則可利用灌漿拼裝套筒、CFRP等修復(fù)后進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究。

2.2 地震保護(hù)裝置研究

地震保護(hù)裝置是在地震作用下有效保護(hù)建筑物的方式之一，同時(shí)也是橋梁抗震研究的重點(diǎn)之一。研究范圍主要包括減震裝置、隔震裝置、伸縮裝置、防落梁裝置以及隔震橋設(shè)計(jì)方法等，各種方法所占的研究比例如圖3所示。研究方法主要采用擬靜力試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式。

[PSA13.EPS，BP][TS（][HT5"H][JZ]圖3 橋梁保護(hù)裝置研究方向比例圖[TS）]

減震裝置主要有防屈曲支撐BRB、自復(fù)位耗能器SCED、預(yù)應(yīng)力彈簧阻尼等。Wei等[16]設(shè)計(jì)出兩類BRB，通過試驗(yàn)研究其力-位移關(guān)系。雖然我國已有一部分橋梁正在使用此類裝置，但其作為一種新型減震裝置BRB，在水平雙向作用下考慮地震作用是之前經(jīng)常考慮順橋向約束時(shí)所沒有的，對(duì)于BRB的認(rèn)識(shí)將是一個(gè)很大突破。Cheng X.等[17]通過數(shù)值模擬方法對(duì)自復(fù)位耗能器SCED在地震反應(yīng)的效果進(jìn)行分析。Ben Hamadi B.等[18]研究了彈簧阻尼器在鐵道橋梁中的實(shí)際應(yīng)用情況。

隔震裝置方面主要研究包括隔震支座和普通橡膠支座的震害機(jī)理、橡膠支座和新型支座抗震性能等研究。Fujita R.等[19]對(duì)2011年日本大地震中隔震支座發(fā)生撕裂破壞的情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其震害機(jī)理。

防落裝置研究主要通過擬靜力試驗(yàn)或振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)擋塊和防落梁鋼棒分析得到其本構(gòu)關(guān)系。Luder C.和Criado M.[20]對(duì)橋梁的防落梁鋼棒本構(gòu)關(guān)系和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。

隔震橋設(shè)計(jì)方法主要是考慮隔震橋地震力簡(jiǎn)化計(jì)算和變形設(shè)計(jì)方法研究，其研究方法主要采用理論分析的方式。

3 結(jié)語

本文針對(duì)第十六屆世界工程大會(huì)關(guān)于橋梁抗震方面的研究進(jìn)行總結(jié)和介紹。橋梁抗震研究的未來發(fā)展趨勢(shì)必定會(huì)與地震工程局所倡導(dǎo)的地震設(shè)計(jì)理念所同步。從大會(huì)的內(nèi)容來看，減震裝置和橋墩自復(fù)位體系的研究將是當(dāng)代橋梁抗震的研究熱點(diǎn)，將兩者有機(jī)地結(jié)合起來，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或許會(huì)產(chǎn)生更好的效果。

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