橋梁抗震研究進展分析

吳志敏 莫昭莉 歐陽常偉

摘要：橋梁抗震理論和技術的研究成果，決定著橋梁抗震設計理論未來的發展方向。文章針對第十六屆世界工程大會關于橋梁抗震方面的研究進行總結分析，主要涉及了橋墩碰撞和接觸問題、橋梁地震反應分析、橋梁耗能方法研究、大跨度橋梁抗震設計、基于地震可恢復性橋梁減震措施等方面的研究成果。

關鍵詞：橋梁抗震;研究進展;震后可恢復體系

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，由世界地震工程協會主辦的第十六屆世界工程大會在智利圣地亞哥順利舉行，相關國際會議組織官員、專家和學者共計2 493人參加。此次大會共有5個主題報告、2個辯論專題、4個特邀報告以及3個特別紀念專題。本屆會議收錄論文2 130篇，反映了當今世界在地震工程領域最前沿的研究成果。“可恢復性，地震工程的新挑戰”（Resilience，the new challenge in earthquake engineering）的口號形象地突出了此次大會的可恢復性的抗震理念。

1 特邀報告橋梁抗震方面內容

1.1 大跨度橋梁健康監測研究

來自于加拿大哥倫比亞大學的Venturaa C.E.教授的學術報告“Realtime Damage Assessment”[1]，闡述了結構地震監測和損傷檢測的研究狀況。在報告中，他持續監測了加州20世紀70年代的一座橋梁的周期變化，了解結構健康狀況的變化情況。同時，為了研究判斷有無損傷和損傷定位的方法，他測試了RC簡支梁Dogna Bridge在完好狀態和人為損傷狀態下的振動測試。大跨度橋梁在地震作用下的表現一直是學者關注的重點，同時也是健康監測的主要對象。在報告中，Venturaa C.E.教授列舉了很多實際案例：美國Celebi M.[2]等采集了Caroquinez懸索橋2014年地震時的加速信號，分析出該橋的阻尼和頻率，并與正常狀態下進行對比分析，討論了此懸索橋的振動特性;日本學術者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測結果得來的經驗;Lau D.T.等[4]研究人員通過對Confederation大橋進行長達數十年的健康監測，改進了計算模型，完善了監測平臺。

1.2 基于地震可恢復減震措施研究

意大利國家新能源研究中心的Clemente P.[5]在報告中對全世界的隔震和耗能裝置在實踐中的應用進行了總結，全世界已經有超過30個國家采用了隔震或者耗能系統。在這些國家當中，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，其實際應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達到了400座，采用耗能裝置的橋梁已達到200座;美國已經有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 大跨度橋梁抗震設計

中國同濟大學李建中教授的報告[6]，詳細介紹了中國在大跨度橋梁方面（懸索橋、斜拉橋、拱橋）的研究現狀，并且全面闡述了地震設計方法、減震措施等方面的內容。在其分析過程中將構件分為兩部分：第一部分為關鍵構件（key component），如主塔、基礎等;第二部分為次要構件（nonkey component），如支座、伸縮裝置等。根據可檢測性（inspectability）、可替換性（replaceability）和可維修性（retrofitability）三個方面確定設計水平的性態目標，為抗震設計提供基礎。同時李建中教授介紹了同濟大學多功能振動臺進行多項橋梁試驗性研究的情況。

2 專題報告關于橋梁抗震方面研究

橋梁抗震專題報告主要包括以下幾個方面：（1）橋塔抗震性能;（2）橋梁地震反應分析;（3）易損性分析;（4）碰撞與接觸;（5）橋梁振動測試;（6）隔震設計和減震裝置;（7）地震動的選取和合成;（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值模擬和試驗以完善地震作用下的延性設計橋墩的本構關系。主要是基于拉力偏移影響的單元改進方法，研究低周疲勞、損傷累計、鋼筋屈服、扭矩、主筋截斷等因素影響下，空心矩形墩、橋墩與擴大基礎的連接。Lara O.[7]將兩個普通混凝土墩柱放在振動進行試驗，模擬地震荷載

作用下的損傷情況，并提出考慮損傷累計和低周疲勞共同作用下的橋墩本構模型。

ABC橋墩國內俗稱預制節段拼裝橋墩，其抗震性能在國內研究甚多。之所以成為熱點方向，與以下兩個原因密不可分：（1）在橋梁建設中，對于城市化橋梁建設，使用節段預制拼接技術不僅可以節約時間，減少環境污染，而且可以很好地提高建筑質量，減少壽命周期成本，完全符合國家對裝配式建筑推廣的要求;（2）預制拼裝橋墩連接方式較好，可以成為搖擺墩，成為地損傷構件，符合可恢復性設計理念。ABC橋墩根據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橋墩是通過無粘結后張預應力筋或者耗能器組成的混合連接結構。在地震作用下，地震能量被耗能器所消耗，不會對橋墩造成損傷。對于高損傷或者低損傷ABC橋墩，學者Masal M.和Palermo A.[8]對這兩類橋墩進行擬靜力試驗分析，從而驗證了ABC橋墩的抗震特點。

高損傷ABC橋墩研究主要是針對不同連接措施的抗震性能影響進行的。Li C.等[9]以整體澆筑墩為參考對比，對墩底固結的4個無黏結后張預應力混凝土節段拼裝墩進行反復荷載試驗。試驗表明：耗能鋼筋雖然可以提高節段拼裝墩的耗能能力，但同時會產生較大的位移;剪力鍵可以阻止節段間產生滑移，但其會產生應力集中，造成局部出現損傷現象。AlJelawy H.等[10]對灌漿拼裝連接方式進行了改進，使塑性鉸位置移至灌漿管上方，確保延性，并通過擬靜力試驗進行分析驗證，解決了灌漿拼裝連接而導致的連接鉸變形，進而減少位移延性、造成墩永久失效的問題。

低損傷橋墩研究主要是針對橋墩本身與承臺連接方式的不同對搖擺橋墩抗震性能的影響進行的。搖擺墩和其他構件相互作用，這種思路是新西蘭學者Palermo A.[11]提出的。兩種構件之間通過無粘結預應力來保證其自復位功能，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，進行了擬靜力試驗，分析得出橋梁搖擺墩和其他構件的相互影響。MSDSC和MCT兩種滯回模型是在分析耗能鋼筋的自復位橋墩時常常采用的兩種模型。臺灣科技大學的研究學者Ou Yu-Chen等[12]運用這兩種模型進行計算，對比分析了等效黏滯阻尼計算最大位移時所需要的重要參數，從MCT模型中得出的阻尼比MSDSC模型得出的要高很多。學者Guerrini G.等[13]對雙柱式鋼管混凝土

自復位橋墩進行研究，通過試驗和數值模擬，并與傳統橋墩進行對比分析，發現自復位橋墩有很多傳統橋墩所沒有的優點：低損傷、維修費用低、對周圍影響較小等。Chegini Z.和Palermo A.等[14]在橋梁上部結構運用混合搖擺低損傷連接技術，進行縮尺擬靜力試驗，分析了在此技術的運用下橋梁的抗震性能。

研究學者對橋墩加固后的抗震性能也做了進一步的研究。Jung D.和Andrawes B.[15]對橋墩進行加固時采用記憶合金材料，并通過振動臺試驗對加固后的橋墩進行抗震性能研究。除利用記憶合金外，UHPFRC材料也是橋墩加固的優選材料。對后張法預制拼裝橋墩的損傷則可利用灌漿拼裝套筒、CFRP等修復后進行抗震性能試驗研究。

2.2 地震保護裝置研究

地震保護裝置是在地震作用下有效保護建筑物的方式之一，同時也是橋梁抗震研究的重點之一。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計方法等，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和數值模擬相結合的方式。

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

減震裝置主要有防屈曲支撐BRB、自復位耗能器SCED、預應力彈簧阻尼等。Wei等[16]設計出兩類BRB，通過試驗研究其力-位移關系。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常考慮順橋向約束時所沒有的，對于BRB的認識將是一個很大突破。Cheng X.等[17]通過數值模擬方法對自復位耗能器SCED在地震反應的效果進行分析。Ben Hamadi B.等[18]研究了彈簧阻尼器在鐵道橋梁中的實際應用情況。

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理、橡膠支座和新型支座抗震性能等研究。Fujita R.等[19]對2011年日本大地震中隔震支座發生撕裂破壞的情況進行數值模擬，分析其震害機理。

防落裝置研究主要通過擬靜力試驗或振動臺試驗，對擋塊和防落梁鋼棒分析得到其本構關系。Luder C.和Criado M.[20]對橋梁的防落梁鋼棒本構關系和設計方法進行了研究。

隔震橋設計方法主要是考慮隔震橋地震力簡化計算和變形設計方法研究，其研究方法主要采用理論分析的方式。

3 結語

本文針對第十六屆世界工程大會關于橋梁抗震方面的研究進行總結和介紹。橋梁抗震研究的未來發展趨勢必定會與地震工程局所倡導的地震設計理念所同步。從大會的內容來看，減震裝置和橋墩自復位體系的研究將是當代橋梁抗震的研究熱點，將兩者有機地結合起來，進行優化設計，或許會產生更好的效果。

參考文獻：

[1]Ventura C E. Advances on monitoring and damage detection in earthake engineering [C].16WCEE. Santiago，2017，Keynote.

[2]Celebi M，Ghahari S F，Taciroglu E. Responses of the califomia suspension bridge during M 6.0 South NAPA Earthquake of August 24，2014[C].16WCEE.Santiago，2017.

[3]Siringoringo D M ，Fujino Y. Over twenty yearsseismic monitoring experience of cablestayed bridge：lessonslearned on structuralassessments [C].16WCEE.Santiago，2017.

[4]Lau D T，Desjardins S，Tehranian A，et al. Dynamic structural health monitoring of confederation bridge：lessons learned，challenges and future directions [C].16WCEE.Santiago，2017.

[5]Clemente P，Martelli A. Antiseismic systems：worldwide application and conditions for their correct use [C].16WCEE.Santiago，2017.

[6]Li J Z. Recent advances in seismic design for long span bridge in China[C].16WCEE.Santiago，2017.

[7]Lara O，Toro D，Ventura C.Designing for damage accumulation and low cyclic fatigue in reinforced concrete bridge columns[C].16WCEE.Santigo，Santiago，2017.

[8]Mashal M，Palermo A.Experimental testing of emulative and posttensioned earthquake damage resistant technologies for accelerated bridge construction[C].16WCEE.Santiago，2017.

[9]Li C，Hao H，Zhang X.Cyclic tests of precast segmental concrete columns with unbonded posttensioned tendons[C].16WCEE.Santiago，2017.

[10]A1Jelawy H，Haber Z，Mackie K.Grouted splice precast column connections with shifted plastic hinging [C].16WCEE，Santiago，2017.

[11]Liu R，Palermo A.Quasistatic testing of a 1/3 scale precast concrete bride utilising a posttensioned dissipative controlled rocking pier[C].16WCEE.Santiago，2017.

[12]Ou Y C，Yuniati Pratiwi A，Bu Z Y，et al.Equivalent viscous damping for selfcentering precast concrete segmental bridge columns[C].16WCEE.Santiago，2017.

[13]Guerini G，Restrepo J I，Schoettler M J.Selfcentering，lowdamage，precast posttensioned columns for accelerated bridge construction in seismic regions[C].16WCEE.Santiag，2017.

[14]Chegini Z，Palermo A.Quasistatic testing of a largescale bridge with dissipative controlled rocking connections in the superstructure[C].16WCEE.Santiago，2017.

[15]Jung D，Andrawes B.Dyngmic testing on circular rc bridge columns retrofitted and repaired with shape memory alloys[C].16WCEE.Santiago，2017.

[16]Wei，Bruneau M.Experimental performance of buckling restrained braces subjected to bidirectional displacement histories[C].16WCEE.Santiago，2017.

[17]Cheng X，Erochko J，Lau D T.Improving the seismic performance of existing bridge structures using selfcentering dampers[C].16WCEE.Santiago，2017.

[18]Ben Hamadi B，BuchinRoulie V，Grandi A，et al.Railway bridge seismic protection with the isosism range[C].16WCEE.Santiago，2017.

[19]Fujita R，Sadamatsu M，Takahashi Y.Analysis on damage of the existing seismic isolation bride due to the 2011 great east japan earthquake[C].16WCEE.Santiago，2017.

[20]I.uders C，Criado M.A new design philosophy of seismic anchor elements for bridges[C].16WCEE.Santiago，2017.