橋梁易損性研究的回顧與展望

趙有澤

從2008年至今,全世界發(fā)生了多次駭人聽(tīng)聞的大地震,比如2008年5月12日的中國(guó)汶川大地震,2010年1月12日的海地大地震,遇難人數(shù)甚多。地震頻發(fā),氣候異常,道路破壞,橋梁倒塌。越來(lái)越多的災(zāi)害研究者和國(guó)際社會(huì)開(kāi)始關(guān)注這樣一個(gè)問(wèn)題:橋梁在地震面前是否變得更加易損或脆弱,易損性逐漸成為抗震學(xué)術(shù)研究的一個(gè)重要概念以及國(guó)際社會(huì)抗震減災(zāi)策略的一個(gè)中心主題。橋梁的地震易損性分析有利于抗震加固,災(zāi)后的響應(yīng)計(jì)劃,直接經(jīng)濟(jì)損失估計(jì),以及震后公路系統(tǒng)的功能評(píng)估。為了評(píng)估公路橋梁結(jié)構(gòu)的損傷水平(輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌),易損性曲線(xiàn)公認(rèn)為是一種有用的工具[1]。本文試圖通過(guò)對(duì)橋梁易損性研究的回顧與展望,構(gòu)建橋梁易損性科學(xué)的一些基本理念,說(shuō)明橋梁易損性分析在抗震研究和防災(zāi)減災(zāi)實(shí)踐中的積極意義。

1 橋梁易損性研究的由來(lái)

20世紀(jì)以來(lái),盡管極端災(zāi)害類(lèi)地球物理事件爆發(fā)的頻率沒(méi)有顯著增加,但全球因?yàn)?zāi)難造成的人類(lèi)傷亡和物質(zhì)財(cái)產(chǎn)的損失卻顯著增加,這種現(xiàn)象是傳統(tǒng)的自然災(zāi)害理解范式不能解釋的[2]。同時(shí)人們也發(fā)現(xiàn),類(lèi)似強(qiáng)度的自然災(zāi)害,在不同的社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景下,其后果差異很大,比如發(fā)生在美國(guó)加里福尼亞和尼加拉瓜的地震其災(zāi)情就大不一樣[3]。有一些社會(huì)學(xué)家在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始懷疑傳統(tǒng)的自然災(zāi)害范式,而易損性曲線(xiàn)的研究也正是在這個(gè)時(shí)候開(kāi)始萌芽。在20世紀(jì)70年代核電站的地震概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估里,將機(jī)械和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)里的抗震能力以概率函數(shù)的形式表示出來(lái)。該函數(shù)以地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度為參數(shù),通常采用PGA(峰值地面加速度),SA(譜加速度)和SI(譜烈度)作為地震動(dòng)參數(shù),該函數(shù)可以反映出結(jié)構(gòu)能力和地震動(dòng)參數(shù)所涉及的不確定性因素。

我國(guó)對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性分析取得了一定成果,但是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震易損性分析卻仍然處于起步階段。一般而言,橋梁地震易損性分析的研究,討論的是形成易損性曲線(xiàn)的過(guò)程。有兩種方法可以得到結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線(xiàn),一種是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法,另一種是理論計(jì)算法。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法得到的易損性曲線(xiàn)就是基于歷史震害資料,找出主要致災(zāi)因素,然后通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)得出反映影響因素輕重的量化值,最終判斷出橋梁在一定地震烈度下的震害概率;而理論計(jì)算法是將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)建模,并結(jié)合相關(guān)理論分析得出結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制,主要包括規(guī)范校核法、Pushover法、計(jì)算屈服強(qiáng)度系數(shù)法以及大跨度橋梁的定性定量分析法,并且如果有可能,最終得到的易損性曲線(xiàn)應(yīng)該用實(shí)際的地震數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。

2 易損性的含義

“易損性”一詞常常用于風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害研究文獻(xiàn)中,也逐漸成為全球變化、環(huán)境發(fā)展和地理學(xué)的重要詞匯[4]。從廣泛意義上看,橋梁易損性就是橋梁的潛在損失,然而這個(gè)語(yǔ)義并沒(méi)有清楚的表達(dá)描述的損失是什么類(lèi)型,哪部分結(jié)構(gòu)將損失,或許是橋梁的疲勞損失,或許是風(fēng)吹雨淋的潛在損失,或許是來(lái)自于地震等災(zāi)害的損失,或是來(lái)自于交通過(guò)程的潛在損失。這就為橋梁易損性的理解留下了很大的空間。

許多災(zāi)害研究者都對(duì)易損性表達(dá)過(guò)自己的見(jiàn)解,但這些定義差別很大,表述方式不同,讓人們無(wú)所適從。大體上他們的定義可以分為以下三類(lèi):第一類(lèi)是寬泛的定義,也就是說(shuō):易損性是指易于遭受自然災(zāi)害的破壞和損害[5]。這個(gè)定義最早出現(xiàn)在Burton等人編著的“環(huán)境災(zāi)害”一書(shū)中,成為了易損性使用最廣泛的定義。第二類(lèi)是Blaikie的定義[6],即易損性就是個(gè)人或群體預(yù)見(jiàn)、處理、抵御災(zāi)害和從災(zāi)害中恢復(fù)的能力的特征,它涉及到自然或社會(huì)災(zāi)害威脅人們生活程度的各種因素。在災(zāi)害背景下,社會(huì)中一些階層比另一些階層的人們更容易遭受到災(zāi)害的破壞和損失,這些影響因素包括:社會(huì)階層、種姓、種族、性別、殘疾、年齡等。這類(lèi)概念關(guān)注的主題是社會(huì)對(duì)災(zāi)害的抵御和恢復(fù)能力,災(zāi)害事件的性質(zhì)當(dāng)作是已知的條件,它強(qiáng)調(diào)易損性的社會(huì)結(jié)構(gòu),注重分析影響人們處理災(zāi)害能力的歷史、文化、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)過(guò)程。易損性概念的第三類(lèi)含義是指災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及其處理災(zāi)害事件的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)能力的綜合量度[7]。在這種用法中,災(zāi)害易損性將災(zāi)害危險(xiǎn)的敏感性和人類(lèi)對(duì)這種危險(xiǎn)的響應(yīng)能力結(jié)合起來(lái),它相對(duì)應(yīng)的概念是社會(huì)的恢復(fù)力。這一定義外延太廣,將災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)包含在易損性概念之內(nèi),一般來(lái)說(shuō),災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和易損性是兩個(gè)概念,且多數(shù)人認(rèn)為易損性只是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)組成。

3 橋梁地震易損性分級(jí)方法

人們已經(jīng)提出根據(jù)交通量和繞行距離對(duì)橋梁的重要性進(jìn)行分類(lèi),并且給出定量的重要性指標(biāo),這種定量方法不包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。在美國(guó) 1995年出版的報(bào)告《FHWA-RD-94-052》,即《公路橋梁抗震加固手冊(cè)》中,建議將橋梁分為兩類(lèi):重要性橋梁和一般橋梁[8]。重要性橋梁是指那些期望在地震后具有橋梁運(yùn)營(yíng)功能的橋梁,或期望地震后立即能夠開(kāi)放的橋梁;此外的其他所有橋梁歸類(lèi)為一般橋梁。所以,重要性的確定是主觀的,在作出這種判斷時(shí),橋梁重要性的判斷取決于社會(huì)、生存和安全、防衛(wèi)等因素。

橋梁抗震易損性分級(jí)方法給結(jié)構(gòu)賦予一個(gè)結(jié)構(gòu)易損性指數(shù)(1～10)和一個(gè)地震危險(xiǎn)性指數(shù)(1～10),并且同時(shí)考慮這些不同的指標(biāo),得到一個(gè)總的抗震等級(jí)。一些方法還用一個(gè)重要性指標(biāo)去描述日車(chē)流量、交通網(wǎng)絡(luò)冗余度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境,另外一些方法采用定性的度量指標(biāo)來(lái)考慮這些因素。下面歸納了三種方法進(jìn)行橋梁地震易損性分級(jí):1)指數(shù)法(FHWA,1995年)。用指數(shù)描述結(jié)構(gòu)易損性和危險(xiǎn)性水平,然后合并這兩個(gè)指數(shù),對(duì)每一座橋給出唯一的等級(jí)。指數(shù)的范圍從0～10,并且給予保守的、半經(jīng)驗(yàn)的準(zhǔn)則。通過(guò)這個(gè)等級(jí)來(lái)確定加固優(yōu)先順序,這個(gè)等級(jí)綜合了重要性、交通網(wǎng)絡(luò)冗余度、非地震因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的定性評(píng)估,然而這種方法的不足是對(duì)一些固有的不確定因素用主觀的標(biāo)準(zhǔn)予以考慮。這種方法是三種方法中最簡(jiǎn)單的方法,但也是最保守的方法。2)預(yù)期損傷法。這個(gè)方法在相同的地震下對(duì)每一座橋梁做嚴(yán)格的預(yù)期損傷比較。關(guān)于損傷程度的量測(cè),要么通過(guò)持續(xù)的損傷狀態(tài),要么直接估計(jì)經(jīng)濟(jì)損失。預(yù)期損傷(或損失)最嚴(yán)重的橋梁其優(yōu)先加固等級(jí)也最高。通過(guò)脆弱性函數(shù)考慮地震動(dòng)的不確定性、土體與結(jié)構(gòu)特性的隨機(jī)性來(lái)評(píng)估各損傷狀態(tài)的概率。需要對(duì)間接損失、交通網(wǎng)絡(luò)冗余度和非地震方面進(jìn)行定性評(píng)估,并基于脆弱性修正抗震等級(jí)。3)地震危險(xiǎn)性評(píng)估方法。在給定地震危險(xiǎn)性水平和因此造成的損壞狀態(tài)下對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接分析,可通過(guò)交通流量來(lái)評(píng)估交通網(wǎng)絡(luò)這種損壞狀態(tài)對(duì)交通系統(tǒng)性能的影響(例如增加行車(chē)時(shí)間)。這個(gè)性能對(duì)橋梁條件的敏感性隨后用于確定橋梁加固的必要性和加固順序。非地震和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的定性評(píng)估也是必須的。這是三種方法中最復(fù)雜的一種,也是最嚴(yán)格的一種方法,其最終結(jié)果的保守性最低。

4 橋梁地震易損性曲線(xiàn)的沿革和展望

地震中,常常由于橋梁本身受到的破壞,給抗震救災(zāi)工作的開(kāi)展造成很大的困難。就比如2008年汶川大地震中,道路橋梁的損壞給抗震救災(zāi)官兵造成了很大的麻煩。因?yàn)檫^(guò)去對(duì)橋梁抗震重視不夠和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低,我國(guó)已建的大部分橋梁的抗震能力是很低的,開(kāi)展橋梁的易損性研究工作十分必要。橋梁的地震易損性分析有利于抗震加固、災(zāi)后的響應(yīng)計(jì)劃、直接經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)以及震后公路系統(tǒng)的功能評(píng)估,是防震減災(zāi)重要的基礎(chǔ)性工作之一[9]。地震作用下橋梁的易損性分析一般用易損性曲線(xiàn)表示,理論易損性曲線(xiàn)是通過(guò)利用對(duì)橋梁進(jìn)行分析得到的地震反應(yīng)資料建立起來(lái)的。發(fā)展公路橋梁的易損性曲線(xiàn),需要融合以下幾方面:1)具有專(zhuān)業(yè)的判斷能力;2)擬靜力方法與設(shè)計(jì)規(guī)范相結(jié)合的一致分析;3)過(guò)去地震中得到的損傷數(shù)據(jù)的應(yīng)用;4)基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力地震響應(yīng)的數(shù)值模擬。

4.1 經(jīng)驗(yàn)易損性曲線(xiàn)沿革

基于過(guò)去地震中得到的橋梁損傷數(shù)據(jù),可以得到橋梁的地震易損性曲線(xiàn),這就是經(jīng)驗(yàn)易損性曲線(xiàn)。我國(guó)在公路橋梁的地震易損性分析方面,采用的是專(zhuān)家調(diào)查的方式,由于其研究的樣本量有限,使研究結(jié)果的可信度受到一定的限制。為了研究橋梁震害與地震動(dòng)參數(shù)間的關(guān)系,發(fā)展經(jīng)驗(yàn)易損性曲線(xiàn),需要結(jié)構(gòu)在地震中的實(shí)際損傷數(shù)據(jù)。而這些數(shù)據(jù)是通過(guò)地震觀測(cè)儀器測(cè)得的。國(guó)際上得到的經(jīng)驗(yàn)易損性曲線(xiàn)很多,例如Basoz&Kiremidjian基于Northridge地震后得到的橋梁損傷數(shù)據(jù),采用回歸分析建立的經(jīng)驗(yàn)易損性曲線(xiàn),Tanaka基于1995年神戶(hù)地震中得到的橋梁損傷數(shù)據(jù),假定易損性曲線(xiàn)為兩參數(shù)正態(tài)分布的函數(shù)形式得到了經(jīng)驗(yàn)易損性曲線(xiàn)等。經(jīng)驗(yàn)易損性曲線(xiàn)來(lái)自實(shí)際震害和對(duì)應(yīng)地震動(dòng)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,結(jié)果可信度較高,然而它只是適用于特定的地震環(huán)境、場(chǎng)地條件、橋梁情況,難以推廣使用,并且橋梁經(jīng)驗(yàn)易損性曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)回歸過(guò)程非常繁瑣,適合于學(xué)術(shù)研究。因此應(yīng)當(dāng)尋求可信賴(lài)的橋梁易損性曲線(xiàn)的理論估計(jì)方法。

4.2 理論易損性曲線(xiàn)沿革

從橋梁地震響應(yīng)分析得到的結(jié)果,可以得到橋梁的地震易損性曲線(xiàn),這就是理論易損性曲線(xiàn)。要得到理論易損性曲線(xiàn),需要考慮三個(gè)方面,即:地震動(dòng)輸入的模擬、對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的模擬,以及如何獲得橋梁的地震響應(yīng)分析。而形成易損性曲線(xiàn)的過(guò)程中有幾種典型的分析方法,用來(lái)獲得橋梁的地震響應(yīng),如:反應(yīng)譜分析、非線(xiàn)性靜力分析、非線(xiàn)性時(shí)程分析、增量動(dòng)力法分析等。從1994年起,Hwang&Huo,Kai&Fukushima等人對(duì)各種特定模型采用Monte Carlo模擬法進(jìn)行易損性分析。由于Monte Carlo模擬法耗時(shí)太久,各國(guó)學(xué)者都在尋求簡(jiǎn)化方法,如Kai&Fukushima提出了一種利用頻域內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)理論來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)響應(yīng)的易損性分析方法,Karim&Yamazaki建議了一種用數(shù)值模擬方法建立理論易損性曲線(xiàn)的方法,Singhal等采用貝葉斯原理分析結(jié)構(gòu)的損傷程度,用得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行易損性評(píng)估,建立易損性曲線(xiàn)[10]。

在獲得橋梁結(jié)構(gòu)的理論易損性曲線(xiàn)后,可以再對(duì)橋梁在地震作用下的破壞狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和分析,這是目前大部分學(xué)者的研究方向,并且理論易損性曲線(xiàn)的研究大部分都是針對(duì)公路橋梁的,針對(duì)鐵路橋梁的很少。理論易損性曲線(xiàn)目前正處于發(fā)展階段,它的建模計(jì)算都非常繁瑣,盡管出現(xiàn)了一系列簡(jiǎn)化方法,但計(jì)算量還是很大,有待于進(jìn)一步完善。然而它的普遍適用性強(qiáng),可以隨時(shí)根據(jù)一座橋梁的實(shí)際情況建模計(jì)算,所以要將理論易損性曲線(xiàn)繼續(xù)完善。

4.3 易損性曲線(xiàn)的展望

在遭受了慘重的經(jīng)濟(jì)損失后,世界各國(guó)都加強(qiáng)了對(duì)橋梁抗震易損性的研究。不僅建立了震區(qū)橋梁的經(jīng)驗(yàn)易損性曲線(xiàn),也通過(guò)理論分析手段,建立了其他一些地區(qū)典型橋梁的地震易損性曲線(xiàn)。盡管歷經(jīng)十幾年的研究發(fā)展,但至今對(duì)于橋梁地震易損性分析仍然沒(méi)有一套完全確切的科學(xué)方法。目前的分析中,一般采用PGA或SA來(lái)表征地震地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,盡管有些研究中表明結(jié)構(gòu)反應(yīng)作為峰值地面加速度或加速度反應(yīng)譜的函數(shù)時(shí),回歸曲線(xiàn)與反應(yīng)數(shù)據(jù)擬合得比較好,但要找到一個(gè)合適的純地震動(dòng)參數(shù)來(lái)表達(dá)結(jié)構(gòu)反應(yīng)和易損性曲線(xiàn),需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究。并且現(xiàn)在大多研究中采用的橋梁地震響應(yīng)數(shù)據(jù)均以基階模態(tài)為主,對(duì)高階振型的研究尚應(yīng)逐步加深。展望未來(lái),易損性曲線(xiàn)這種方法必將會(huì)更加簡(jiǎn)化,更加能從理論研究著手,進(jìn)入實(shí)踐中來(lái),并將應(yīng)用到諸如橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)等方面,對(duì)橋梁的抗震加固、交通安全、經(jīng)濟(jì)評(píng)估等方面都會(huì)做出更大的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文回顧了橋梁易損性研究的由來(lái)、含義、分級(jí)方法和沿革,也對(duì)其不足作出了一點(diǎn)評(píng)論并作出了展望。橋梁易損性研究與應(yīng)用主要集中在抗震方面,在其他領(lǐng)域尚在探索中,其發(fā)揮作用尚有很大的潛力。

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