大型橋梁多點激勵效應的研究現狀與發展

劉小寧

摘 要：目前我國的橋梁建筑抗自然災害等級在逐漸提升，地震作為我國部分地區常見的一種危害性較大的自然災害，在給人民的生命財產帶來損失的同時也對建筑產生了不可逆的破壞。隨著我國已進入交通強國階段，橋梁的建設不僅僅為了溝通河道兩岸居民的來往，更是要作為抗自然災害建筑在當危險發生時，盡可能保障在橋梁上人民和車輛的安全，多點激勵效應在橋梁施工中也被廣泛應用，本文就此展開討論，對研究現狀和發展趨勢進行闡述分析。

關鍵詞：大型橋梁;多點激勵效應;橋梁與隧道工程

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.069

0 引言

歐亞地震帶和環太平洋地震帶在我國交織，由于我國國土長期受到菲律賓海板塊和印度洋板塊及太平洋板塊的多重擠壓，由于臺灣、西南部分地區、華北部分地區地理位置在地震帶上，一些地區一年內就可能會發生十幾次甚至幾十次大小不一的地震，由于橋梁往往是連接川江河流的紐帶，和房屋建筑一樣，橋梁在修建時也要充分考慮地震所帶來的不利影響，和排水抗腐蝕等性質類似，由于強地震可能會直接導致橋梁完全垮塌，且我國的橋梁抗震修建標準也在隨著社會科技的進步而不斷完善中，但仍有大量年久失修的橋梁在地震中毀壞，由此在修建新的大型橋梁時，建筑者往往通過多點激勵效應開展橋梁的施工，不但可以提升橋梁整體的使用壽命，還可以給修建其他建筑在抗震性上予以啟示。

1 大型橋梁多點激勵效應的研究現狀

中國在改革開放后，幾十年前技術不發達的時候使用單一標準的設計理念進行施工，在當時的施工理念下，修建的大型橋梁一般只可以應對小型地震保證不垮塌，中大型地震發生后，橋梁在一定程度下被破壞在當時是允許的。在2008年汶川地震發生后，國家相關部門對之前的橋梁施工抗震細則進行了一次修訂，在技術要求上比原來嚴格了一些，地震的重現期也由原標準的幾百年使用壽命延長到了幾千年，在提高使用年限的基礎上，對細節問題也有了新的要求，督促施工者要重視自然災害給橋梁帶來的損傷。

在當前的施工中，一般通過物理學的相關知識，以動制靜，使用反應譜法計算可以起到一定的避震情況預估，缺點則是計算過程過于龐雜，冗余性強，但由于計算存在一定誤差，計算過程過于復雜，在當前的施工前期計算過程中，方法顯得有些過時。反應譜計算由于需要用到疊加原理，橋梁也不僅僅局限于線性結構，而是多線組成的立體結構，另外橋梁的各個支座也未必受到相同的震動影響，因此結論的獲得存在一定的主觀性，后續又有人提出使用時程分析法來對每一秒橋梁的各個部位的受損情況進行記錄，可以得出橋梁在地震過程中的受損情況簡要分析的結論，也可以使用相關的運動法則，通過建立立體的多維坐標系，列出在發生地震時，大橋所承受的反應動力平衡方程的方式進行壓力預估，利用分塊矩陣的方法根據支座節點、非支座節點列出剛度矩陣、阻尼矩陣和質量矩陣的函數，并推導出動力位移的大小和擬靜力的變量大小，通過上述計算可以得出在受到地震影響時，對大橋的損傷程度可以起到一個預判的作用。

由于橋梁在修建時，需要充分考慮橋梁的彈塑性，即在受到地震波沖擊后，橋墩表面是否會被地震波彈起，彈塑性在一定時間內的高度曲線是一種類似于幾何線性圖形的不規則弧線，由于這個過程中，橋梁還存在一定的彈性阻尼，就好比彈簧在受到外力時，根據受力程度的大小彈簧可能會被彈到不同的高度一樣，橋梁彈起的過程還需要考慮橋梁的剛度和延展性，在前期圖紙測繪階段，也是需要注意的細節。

目前我國橋梁施工中，一般是通過加強柔性的方式來達到減震的目的，此期間，結構的自振周期得到了一定延長，讓地震所產生的動力荷載值大幅降低，進而讓能量消耗減少，由于整個過程可以看作將動能轉化為靜態勢能，橋梁結構所承載的動力在此時得到了降低，降低了橋梁的塑性，充分降低了橋梁的受損程度。

2 大型橋梁多點激勵效應的總結發展趨勢

由于大型橋梁主要有以下幾種類型：

一是鐵索橋，鐵索橋一般橫跨于江上，由藤蔓竹索編織而成，在我國的一些旅游景區或是交通不便利的地方有修建，一般只能讓人通過，由于鐵索橋具有一定的柔性，在遇到地震的時候，會受到較大的沖擊影響，由于鐵索橋的損毀會在一定程度上給交通不便地區的村民出行帶來困難，同時部分低素質的游客在鐵索橋上大力搖晃繩索也會讓橋體搖搖欲墜，且由于鐵索橋的修建成本不是很高，且具有一定的危險性，目前我國已不再將修建鐵索橋當作橋梁建筑的重點。國內外也有一些學者曾對一處著名的鐵索橋進行多點激勵效應分析，這些學者專家普遍發現，在建立多維空間坐標系的環境下，一致激勵對鐵索橋的抗震性是不利的，隨著跨度的不斷加大，與此同時還會產生一些沒有規律性的差異，相位差容易影響鐵索橋的搖晃程度，同時擬靜力對鐵索橋的分量影響不大。

二是常見的大型橋梁，是斜拉橋，比如上海的南浦大橋，作為上海市第二座橫跨黃浦江的大橋，通過連接浦西陸家浜路和浦東南碼頭來讓上海市的浦江兩岸居民能夠更快捷出行，此橋使用疊合梁技術，全長八千多米，分為主橋、主引橋、分引橋三部分，承受能力為六萬噸，塔柱中間處由兩根拱梁緊密連接，由于橋梁的跨度比較大，相位差效應會對在受地震影響的橋梁而言具有一定的優勢，由于漂浮體系在修建斜拉橋的過程中被廣泛利用，對塔吊的底部和讓位移降低到極值有好處，在行波效應的作用下，可能會對主承載的受力程度加大多倍，因此需要在修建斜拉橋時，需要注意所產生的行波效應而帶來的不利影響。

三是常見的大型橋梁就是拱橋了，比如趙州橋就屬于上承型拱橋，由于拱橋一般由石質雕砌，由于地震一般是突發事件，即便在地震臺接收到地震警報后，往往很多群眾也不能第一時間做出應急反應，因此當地震產生后，地震波的次生影響可能會直接摧毀拱橋的建筑結構，一般在修建過程中由于非一致性的激勵效果可能會產生一系列的不良影響，在內部往往會催發能量的轉化，由于地震波是輸入性的，且具有一定的波長和波形結構，在發生地震的時候，相位差會與地震前相比有明顯的變化值。

根據對以上三種橋梁的簡要分析，得出結論：大型橋梁具有一定的場地效應，由于與大橋的具體參數密切相關，比如橋墩的高度可能會影響橋梁隨著地震而波動的頻率。同時使用多點激勵效應以后，不僅會改變橋梁的承載結構，抗地震等級、跨徑布置程度，同時如果橋梁的整體建筑面積比較大，還需要考慮空間耦合性給橋梁建設帶來的影響，一些鋼結構的橋受地震影響的主要因素可能是建筑支座的跨徑和地形，尤其是大橋建立在山區的時候，應該還需要考慮山體滑坡等地質災害與地震共同影響下的最佳橋梁結構。

3 大型橋梁多點激勵效應的發展趨勢

由于在發生地震以后，震動往往是在某個震中周圍方圓若干公里內的多維度建筑物聯動所影響的，然而在對橋梁施工建造時，只會考慮當地震波波及橋梁內部結構后，橋梁是否會發生一系列的波動，由于在修建橋梁時，選用何種混凝土或是何種結構，抑或者，因此需要在日后修建橋梁前，可以通過預先做模擬實驗的方式來模擬當地震發生時的情景，進而可以預估一些常見問題，并將具體細則制定到對應的施工安全管理文檔中。

目前，由于我國的建筑風格與其他國家存在一定差異，同時即便是在國內，不同地區因為有不同的風土人情，所在的地理位置受地震的影響程度也各不相同，因此大型橋梁建筑在我國存在較為明顯的差異性，但是國內目前對橋梁有關抗震的相關研究還處于萌芽期，由于缺少相關理論性的政策，就會讓施工效果具有一定的因人而異性。因此在橋梁施工領域，可以由相關的管理部門牽頭，撰寫出一份具有可持續發展性的建筑規則來讓后人可以加強對橋梁抗震的重視程度。

同時，由于目前通過反應譜計算相關數據的方法仍在廣泛利用，此種計算方法具有一定的隨機性和不精確性，因此需要相關的科研人員研制出一套具有更精確的計算方法能夠使用機器學習或人工智能的方式進行建模的方法，可以在總結我國典型建筑物的基礎上，結合當地的地形實際，開展施工前的籌劃工作。

4 結束語

我國的古人就對橋梁深有研究，由于古代也存在地震，地動儀的發明向人們闡釋地震的原理的同時，作為現代的橋梁從業人員，則需要根據當今時代的研究成果和歷次大地震中橋梁的損毀情況進行總結分析，在擁有一系列建筑經驗的基礎上，應爭取為了奪取更壯麗的當代建筑史詩級別作品而不懈奮斗。

參考文獻

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