桥梁抗震的研究进展摘要:路线是一种线状工程构造物,所经过的自然地理环境复杂多变,经常遭受自然灾害的破坏。
其中地震对公路工程具有极大的破坏作用,常常造成严重的交通中断。
国内外的地震灾害表明,交通网络在整个社会生命线抗震防灾系统中越来越重要。
震区桥梁的损坏坍塌,不仅阻碍当时的救援工作,而且影响灾后的救援工作。
所以对桥梁抗震应给予充分的重视。
关键词：桥梁抗震；历史；现状；展望；减震；动力响应分析；设计理论近几年来，世界各地强震不断，汶川等地震给人民的生命财产带来巨大危害。
地震使交通系统严重毁坏，地震造成的交通中断直接影响着救灾工作的进行，扩大了次生灾害损失，使生命财产遭受巨大损失。
近30 多年来，地震灾害的沉痛教训不断地警示着世人，使人们对桥梁的抗震研究工作逐渐受到重视，桥梁抗震理论及技术水平日渐提高。
简要叙述了桥梁抗震研究中概念、分析方法、设计方法、抗震设计规范、减震加固技术的历史概况和现状，并展望了今后桥梁抗震研究的发展趋势。
1 桥梁抗震研究的重要转折点尽管在1926 年，就有了第一部涉及桥梁抗震设计条款的规范——《关于公路桥梁细则草案》[1]，与建筑结构的抗震研究相比，桥梁抗震研究相对滞后，但是在近30 多年来，每次惨痛的地震灾害发生后，桥梁抗震理论和技术水平都会迈上一个新的台阶。
1906 年4 月18 日San Francisco 发生7.9 级地震，这次地震是美国加州历史上破坏最严重的一次地震，对于地震工程来讲也是最有意义的地震之一，也是历史上第一次有桥梁震害记录的地震，但是，这次地震并未引起人们对桥梁抗震的关注。
1971 年2 月9 日美国发生San Fernando 地震，震源深度12.8km，仅6.7 级就显示出生命线工程破坏的严重后果，由于桥梁抗震能力不足，地震造成5 座桥梁塌落，42 座桥梁损坏。
在地震发生之前，美国一直套用建筑结构抗震设计规范，这次地震对美国桥梁抗震设计的发展是一个非常重要的转折点，十年后，也就是1981 年美国联邦公路局出版了《桥梁抗震设计指南》，经过不断的应用与修改，于1992 年纳入了美国《公路桥梁标准规范》，也就是常说的AASHTO 规范。
在1971 年San Fernando 地震后，提出了生命线工程的概念，延性抗震设计也开始被各国重视[2]。
美国Loma Prieta地震发生在1989年10月17日，太平洋夏令时间17 时04 分，震级为M7.0，此次地震的震源深度为16.5km。
地震中高速公路880 号线双层的Cypress 高架桥在地震中倒塌，SanFrancisco-Okaland 海湾大桥发生落梁，震后用于修复桥梁的费用估计约为20 亿美元。
美国学者Bertero 在总结这次地震后提出了基于性能的抗震设计理论，基于性能的抗震设计理论是抗震设计理论的一次重大变革。
1994 年1 月17 日，当地时间凌晨 4 时31 分，美国加州发生Northridge 地震，震级为M6.7，震源深度为16km。
这次地震是美国有史以来造成经济损失最为惨重的一次自然灾害，地震造成Los Angeles 市高速公路上多座桥梁严重破坏，交通运输网络被切断，也再一次警示人们交通网络中断的危害性。
1923 年9 月1 日在日本发生8.2 级的关东地震，震源深度10km。
由于地震强度大，震源浅，再加上当时东京都地区经济发达、人口密度大等因素，地震造成巨大的经济损失，这次地震也使人们意识到桥梁抗震安全的重要性。
关东地震的第二年，日本建立了最早的桥梁下部结构工程的抗震方法，1926 年日本制定并颁布了第一部与公路桥梁抗震设计有关的规范。
1964 年新澙地震后，在1972 年制定的《道路桥耐震设计指针·同解说》增加了考虑地基液化的设计内容和防止落梁的构造措施。
1995 年 1 月17 日，日本发生阪神地震，震级为M7.2，震源深度20km。
震后调查结果表明共有320 座桥梁遭到破坏，其中27 座破坏严重，这次地震使神户地区所有铁路、公路和快捷交通系统均遭受严重破坏，陆上对外交通系统几乎全部中断。
地震中最严重的是Hanshin 高架桥倒塌，三条高速公路和新干线铁路完全中断，城市生命线工程受到严重破坏。
这次地震后，日本对结构抗震的基本问题重新进行了研究，在1996 年颁布的《道路桥示方书·同解说Ⅴ耐震设计篇》中[3]，重新确定了地震作用，明确了震度法、保有水平耐力法及动力反应法使用范围，改善了桥墩变形能力的计算方法和地基液化的判别方法，增加了减隔震设计等内容，这是自1980 年颁布此部规范以来的第二次修订，上一次修订是1990 年。
在我国，1966 年河北邢台地震、1970 年云南通海地震、1973 年炉霍地震1975 年海城地震及1976 年唐山大地震中交通运输严重受损，尤其唐山大地震。
1976 年7 月28 日发生的唐山大地震，震级为7.8 级，震中位置在市区东南部，震源深约11km。
地震中桥梁破坏严重，去往唐山地区的交通瘫痪，使运输物资、救援伤员遭受极大阻力[4]。
此后交通系统的抗震分析和研究得到了发展，可以说唐山地震是我国桥梁抗震设计的一个重要转折点，从此，抗震研究及设计在桥梁建设中日益受到重视。
纵观地震工程学的发展历程，在20 世纪60 年代研究进入成熟阶段，结构抗震理论的研究已经取得较大进展，1977 年我国颁布了《公路工程抗震设计规范》，此后又进行了修改，并于1989 年公布，这就是现行的《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004-89)[5]。
《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004-89)已经使用了近20 年，目前交通部已经要求有关单位进行修订。
1994 年国务院提出未来10 年的防震减灾目标，1998 年我国第一部规范防灾减灾工作的重要法律《中华人民共和国防震减灾法》颁布，它标志着我国防灾减灾工作已经纳入法制化管理轨道，进一步推动了我国地震工程的实际应用和发展。
2 桥梁地震反应分析的研究现状2.1 地震动输入地震发生的时间、空间和强度特征不仅随时间变化，而且具有明显的随机性，合理的确定地震动输入方式是对结构进行地震反应分析的基本问题。
目前人们对地震现象的认识水平和强震观测的技术条件，仍不能对未来地震的发生和地震波的传播做出准确的判断。
因此，在对桥梁进行地震反应分析时，对于地震动输入方式存在着较大的误差和不确定性，到目前为止，这个基本问题还未能得到很好解决。
规范常用的地震动输入的方式有地震加速度反应谱、地震动加速度时程，也就是说加速度是输入的主要方式，这种加速度反应谱在描述地面运动长周期特征方面存在不足。
我国现行《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)[5]所采用的反应谱曲线是由动力放大系数β表示的，常称为标准反应谱，它是在对1050条国内外地震加速度记录反应谱进行统计分析的基础上，针对四类不同场地条件给出的，如图1所示。
目前，由于Pushover 方法、基于位移的抗震设计方法的发展，也开展了关于弹塑性位移反应谱的研究，来弥补加速度反应谱的缺陷。
弹塑性位移谱的建立主要是基于等延性的强度折减系数谱通过弹性位移谱间接得到。
大跨度桥梁的迅速发展，更是增加了地震动输入的复杂性，行波效应、部分相干效应、局部场地效应成为研究的焦点问题。
为了能够解决这些问题，国内外学者或研究多支承输入的反应谱法，或采用时程分析、随机振动法来处理地面运动的非一致性。
另外，地震动最不利输入方向也是地震动输入研究的一个内容。
美国AASHTO 规范[6]中规定水平地震作用按两个相互垂直方向分别输入，两个互相垂直的方向为纵桥向和横桥向，如果是弯桥，将两桥台的连线作为纵向轴线，与其垂直的轴线为横桥向，在分别计算两方向的响应后进行组合，取最不利结果。
欧洲的EUROCODE8[7]规范规定输入水平和竖向三个方向的地震作用，结构最大响应通过各个方向最大地震效应的平方和开平方后得到，也可通过规范给出的其它方式组合得到。
日本《道路桥示方书·同解说V 耐震性能篇》[3]则规定一般考虑两个正交水平地震作用；对于支承构件，要求考虑竖向地震作用；轴向土压力变化时，采用水平土压力方向和与之垂直的方向为正交方向。
我国《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004-89)[5]规定计算地震荷载时，要求分别考虑顺桥和横桥两个方向的水平地震荷载。
对于位于基本烈度为9 度区的大跨径悬臂梁桥，还应考虑上、下两个方向竖向地震荷载和水平地震荷载的不利组合。
从目前的研究成果来看，关于最不利输入方向的标准存在三种观点：一是以能量为标准；二是以屈服面函数为确定最不利输入方向的标准[8]；三是采用位移延性和滞回能分析最不利地震动输入[9]。
2.2 地震反应分析方法地震作用理论研究地震时地面运动对结构物产生的动态效应，结构的地震反应取决于地震动和结构动力特性两个方面，因此，地震反应分析方法的发展是随着人们对这两方面的认识逐渐深入而提高的。
桥梁结构地震分析方法也随着地震灾害的不断发生经历了从静力法到动力法(包括反应谱方法和时程分析方法)的演变过程。
目前世界各国的桥梁抗震设计规范中采用确定性分析方法，主要有静力法、反应谱法、时程分析法和非线性静力分析法，其中前两种方法是主要的分析方法，时程分析法是一种辅助校核方法，而非线性静力分析法则用于确定桥梁结构的破坏机制和抗震能力的评估。
此外，概率性分析方法的理论研究较多，但不能得到数值结果，这种方法目前无法在工程中应用，近年来，虚拟激励法发展起来，并已经构成了一个比较完善的系统。
虚拟激励法将平稳随机响应分析转化成为简谐响应分析，将非平稳随机响应分析转化为确定性时间历程分析，从而采用确定性分析方法实现随机振动的求解。
2.3 地基与结构的相互作用土与结构相互作用的研究以1936 年基础振动问题的Reissner理论的提出为起点经历了基本理论准备阶段、计算方法研究阶段和深化阶段，发展至今成为研究的活跃领域。
但是，土体的复杂性、离散性给该领域的研究带来很大的困难，制约了研究成果在工程中的应用。
土与结构的相互作用可能放大结构响应，产生不利影响，也可能降低结构响应，这就使该问题的研究具有双重意义：一是，结构在遭遇地震时的安全性；二是，结构设计的经济性。
研究内容归纳为：自由场地的地震反应、基础地震响应、土与结构相互作用的计算模型及分析方法的研究。
土体响应分析方法有一维分析方法、二维分析方法和三维分析方法，见表1。
目前土与结构相互作用的分析方法主要有直接法、子结构法和集中参数法。
直接法是将结力放大系数动/β构、基础和土体作为一个整体进行研究，可以真实地模拟结构和地基介质的力学性质、复杂的几何形状和荷载的任意性，直接法通常采用数值法或半解析数值法求解，最常用的计算方法是有限元法、边界元法与无限元法。