現代城市橋梁抗震性能評估及其安全對策

劉 鑫

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 前言

隨著經濟的不斷發展和城市人口的加速增長，人們對由城市道路橋梁構成的交通線的依賴性在不斷增強。當交通受到破壞時，就會給人們的生命財產帶來嚴重的損失。縱觀歷史上的大地震可以發現，有好多次都是發生在城市之中，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。發生在城市中的地震會導致建筑物和橋梁的倒塌，而橋梁的倒塌會導致救援隊伍無法及時到達災區，大量的救援物資也難以及時運送到需要的地方；災后救援工作不能順利進行使受災人員難以在最快的時間內脫離危險，增加了救災難度，擴大了人民的生命財產損失。因此，對現代城市橋梁進行抗震性能評估及有效的抗震設計，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狀和橋梁抗震性能評估重要性

據統計表明，我國現狀有幾十萬座橋梁。在這幾十萬座橋梁中，大約有60%的橋梁位于地震強度在七級以上的地區，其中又有相當大比例的橋梁位于城區中心和近郊。一旦這些地區發生地震，橋梁結構難免會受地震作用的影響，造成一定程度甚至嚴重的損壞。因此有必要對城市橋梁采用可靠的抗震性能評估方法進行抗震性能評估，并依據抗震性能評估結果采取相應的設計和加固措施，以提高橋梁的抗震能力，確保能夠在地震災害下降低損失，保障結構安全和人民生命財產安全。

我國現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計規范，因此這類橋梁對地震的影響沒有統一的標準，隨機性大，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《公路橋梁抗震設計規范》修建的。這類橋梁雖然考慮了抗震設防，但是還存在各種結構損傷，不滿足現行規范的要求。第三類是按最新《公路橋梁抗震設計細則》和《城市橋梁抗震設計規范》的抗震設計要求設計并修建的橋梁。這類橋梁在修建時充分考慮了抗震性能，但經過一段時間的運營使用后，需要加強監測與維護。因此對現有橋梁進行抗震性能評估，并采取適當的抗震加固措施，是極為必要的，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。通常通過橋梁的結構強度、位移延性、剛度等參數指標來確定橋梁在特定震動下的抗震性能。橋梁結構抗震性能評估是工程抗震學科的重要組成部分，是抗擊地震這一自然災害，減輕地震損失的重要環節。在抗震性能評估中，位移延性是重要的指標之一，以Pushover分析為基礎的能力譜方法能夠考察結構在地震下的彈塑性位移響應，是抗震性能評估的一種有效手段。

2.1 能力譜方法的原理

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

所謂A-D轉換，即：

式中：Ti表示結構周期；Sa表示反應譜加速度；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

在發生地震的震蕩過程中，有些橋梁結構滿足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，位移曲線轉換成能力譜曲線。

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

式中：f0表示結構始終保持彈性狀態時的峰值強度；fy表示結構的屈服強度；A表示結構彈性加速度響應峰值，Ay表示相應于屈服強度的擬加速度。

由此可知，圖1a.所示的彈性反應譜不能在地震體系為彈塑性體系中應用求解。現階段，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譜的改進能力譜方法。

2.2 能力譜方法在橋梁抗震性能評估中的優勢

（1）能力譜方法可以針對指定地震波進行分析，能夠在在實橋中指出不同條件和地震烈度對橋梁結構的要求，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于單自由度體系，對于高階振型影響不可忽視的結構，可將結構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，最后在對各部分組合，得到整體的地震響應，達到抗震性能評估作用。

（3）在橋梁的抗震設計中考慮目標位移，引入多級抗震設防水準，能力譜方法可以定量描述結構性能水平，并對地震引起的結構的彈塑性做出響應。

（4）經應用計算證實，能力譜方法得到的結構位移響應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，且不需要進行迭代計算。

3 城市橋梁抗震設計的安全對策

如果只是通過被動的強度抗震設防是不可能起到很好的效果的，這是因為地震造成的地面運動具有無規律的隨機運動性。有相關文獻通過假定地震強度相同，同時加入一些不利因素，使得實際的地震力增強到以前的4倍。然后再在以前地震勘測的基礎上對結構強度進行特定的設計，并在此基礎上加入不利因素，這時實際地震力就會達到之前的8倍左右，甚至會達到10倍以上。因此判斷，單純根據結構強度來進行抵御地震的設計是不現實，不科學的。而通過分析實際的地震災害，就可以發現，較大的地震水平力也是造成城市橋梁損害嚴重的因素之一。

因此目前的《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ166-2011）在設防標準方面采用多種級別，同時將能力設計引入到對橋梁的抗震設計中。根據以往經驗，高架橋是非常容易損毀的，因此城市橋梁設計時應在多級設防的原則下對橋梁的結構強度、結構控制、延變形、結構整體穩定等進行綜合考慮，同時應逐步改掉傳統的“以剛克剛”的抗震設防觀念，使用“以柔克剛”這一新的原則，來作為震區城市橋梁防震設計的根本出發點。

4 結語

對城市橋梁進行抗震性能評估，然后依據抗震性能評估結果采取相應的設計和加固措施，從而提高橋梁的抗震能力，這樣能夠在地震災害下最大限度地保障人民生命財產安全。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。本文就現代城市橋梁的抗震性能評估方法進行探討，并針對橋梁的抗震設計提出了一些建議，希望能夠給以后的設計提供幫助。

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