現(xiàn)代城市橋梁抗震性能評(píng)估及其安全對(duì)策

劉 鑫

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市人口的加速增長(zhǎng)，人們對(duì)由城市道路橋梁構(gòu)成的交通線的依賴(lài)性在不斷增強(qiáng)。當(dāng)交通受到破壞時(shí)，就會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的損失。縱觀歷史上的大地震可以發(fā)現(xiàn)，有好多次都是發(fā)生在城市之中，比如我國(guó)的唐山大地震、美國(guó)的舊金山大地震、日本的十勝?zèng)_大地震等。發(fā)生在城市中的地震會(huì)導(dǎo)致建筑物和橋梁的倒塌，而橋梁的倒塌會(huì)導(dǎo)致救援隊(duì)伍無(wú)法及時(shí)到達(dá)災(zāi)區(qū)，大量的救援物資也難以及時(shí)運(yùn)送到需要的地方；災(zāi)后救援工作不能順利進(jìn)行使受災(zāi)人員難以在最快的時(shí)間內(nèi)脫離危險(xiǎn)，增加了救災(zāi)難度，擴(kuò)大了人民的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)現(xiàn)代城市橋梁進(jìn)行抗震性能評(píng)估及有效的抗震設(shè)計(jì)，并采取一定的安全對(duì)策具有極其重要的意義。

1 城市橋梁抗震性能的現(xiàn)狀和橋梁抗震性能評(píng)估重要性

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)現(xiàn)狀有幾十萬(wàn)座橋梁。在這幾十萬(wàn)座橋梁中，大約有60%的橋梁位于地震強(qiáng)度在七級(jí)以上的地區(qū)，其中又有相當(dāng)大比例的橋梁位于城區(qū)中心和近郊。一旦這些地區(qū)發(fā)生地震，橋梁結(jié)構(gòu)難免會(huì)受地震作用的影響，造成一定程度甚至嚴(yán)重的損壞。因此有必要對(duì)城市橋梁采用可靠的抗震性能評(píng)估方法進(jìn)行抗震性能評(píng)估，并依據(jù)抗震性能評(píng)估結(jié)果采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)和加固措施，以提高橋梁的抗震能力，確保能夠在地震災(zāi)害下降低損失，保障結(jié)構(gòu)安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

我國(guó)現(xiàn)有城市橋梁基本可以分為三類(lèi)，第一類(lèi)是在1977年之前修建的，這類(lèi)橋梁修建時(shí)我國(guó)還沒(méi)有公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，因此這類(lèi)橋梁對(duì)地震的影響沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，隨機(jī)性大，抗震性能不佳。第二類(lèi)是在1977-2008年修建的，這類(lèi)橋梁修建時(shí)是按照1977年及1989年年頒布的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》修建的。這類(lèi)橋梁雖然考慮了抗震設(shè)防，但是還存在各種結(jié)構(gòu)損傷，不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。第三類(lèi)是按最新《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》和《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的抗震設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并修建的橋梁。這類(lèi)橋梁在修建時(shí)充分考慮了抗震性能，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)營(yíng)使用后，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與維護(hù)。因此對(duì)現(xiàn)有橋梁進(jìn)行抗震性能評(píng)估，并采取適當(dāng)?shù)目拐鸺庸檀胧?，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(píng)估中的應(yīng)用

一般情況下，橋梁抗震性能的評(píng)估分為兩部分，一部分是橋梁在地震作用下的反應(yīng)評(píng)估；另一部分是橋梁所具有的抗震能力的評(píng)估。通常通過(guò)橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、位移延性、剛度等參數(shù)指標(biāo)來(lái)確定橋梁在特定震動(dòng)下的抗震性能。橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估是工程抗震學(xué)科的重要組成部分，是抗擊地震這一自然災(zāi)害，減輕地震損失的重要環(huán)節(jié)。在抗震性能評(píng)估中，位移延性是重要的指標(biāo)之一，以Pushover分析為基礎(chǔ)的能力譜方法能夠考察結(jié)構(gòu)在地震下的彈塑性位移響應(yīng)，是抗震性能評(píng)估的一種有效手段。

2.1 能力譜方法的原理

將橋梁結(jié)構(gòu)由Pushover分析得到的荷載位移曲線轉(zhuǎn)化為能力譜（Capacity Spectrum）曲線，并與由加速度反應(yīng)譜通過(guò)A-D轉(zhuǎn)換得到的需求譜（Demand Spectrum）曲線繪制在同一張圖上，通過(guò)圖解或數(shù)值方法尋找能力譜與需求譜交點(diǎn)。能力譜和需求譜曲線的交點(diǎn)稱(chēng)之為性能點(diǎn)(Performance Point)，它表示結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下的位移峰值和對(duì)應(yīng)的加速度響應(yīng)。

所謂A-D轉(zhuǎn)換，即：

式中：Ti表示結(jié)構(gòu)周期；Sa表示反應(yīng)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(yīng)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(fā)生地震的震蕩過(guò)程中，有些橋梁結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成能力譜曲線。

在彈性體系中，求解結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的反應(yīng)譜方法就是能力譜方法。彈性體系的地震響應(yīng)不但與輸入地震的特性有關(guān)，而且結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和位移延性能力都會(huì)影響到它。位移延性不同，自然結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)也就不同，會(huì)有一定程度的折減，且強(qiáng)度折減系數(shù)如下式所示：

式中：f0表示結(jié)構(gòu)始終保持彈性狀態(tài)時(shí)的峰值強(qiáng)度；fy表示結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度；A表示結(jié)構(gòu)彈性加速度響應(yīng)峰值，Ay表示相應(yīng)于屈服強(qiáng)度的擬加速度。

由此可知，圖1a.所示的彈性反應(yīng)譜不能在地震體系為彈塑性體系中應(yīng)用求解。現(xiàn)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(yīng)譜的改進(jìn)能力譜方法。

2.2 能力譜方法在橋梁抗震性能評(píng)估中的優(yōu)勢(shì)

（1）能力譜方法可以針對(duì)指定地震波進(jìn)行分析，能夠在在實(shí)橋中指出不同條件和地震烈度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的要求，為橋梁抗震性能評(píng)估提供了方法和定量判斷。

（2）能力譜方法從原則上說(shuō)適應(yīng)于單自由度體系，對(duì)于高階振型影響不可忽視的結(jié)構(gòu)，可將結(jié)構(gòu)振型分解為若干個(gè)等效的單自由度體系后再采用能力譜方法求解性能點(diǎn)，最后在對(duì)各部分組合，得到整體的地震響應(yīng)，達(dá)到抗震性能評(píng)估作用。

（3）在橋梁的抗震設(shè)計(jì)中考慮目標(biāo)位移，引入多級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)，能力譜方法可以定量描述結(jié)構(gòu)性能水平，并對(duì)地震引起的結(jié)構(gòu)的彈塑性做出響應(yīng)。

（4）經(jīng)應(yīng)用計(jì)算證實(shí)，能力譜方法得到的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值與彈塑性時(shí)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(wèn)題，且不需要進(jìn)行迭代計(jì)算。

3 城市橋梁抗震設(shè)計(jì)的安全對(duì)策

如果只是通過(guò)被動(dòng)的強(qiáng)度抗震設(shè)防是不可能起到很好的效果的，這是因?yàn)榈卣鹪斐傻牡孛孢\(yùn)動(dòng)具有無(wú)規(guī)律的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)性。有相關(guān)文獻(xiàn)通過(guò)假定地震強(qiáng)度相同，同時(shí)加入一些不利因素，使得實(shí)際的地震力增強(qiáng)到以前的4倍。然后再在以前地震勘測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上加入不利因素，這時(shí)實(shí)際地震力就會(huì)達(dá)到之前的8倍左右，甚至?xí)_(dá)到10倍以上。因此判斷，單純根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行抵御地震的設(shè)計(jì)是不現(xiàn)實(shí)，不科學(xué)的。而通過(guò)分析實(shí)際的地震災(zāi)害，就可以發(fā)現(xiàn)，較大的地震水平力也是造成城市橋梁損害嚴(yán)重的因素之一。

因此目前的《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ166-2011）在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)方面采用多種級(jí)別，同時(shí)將能力設(shè)計(jì)引入到對(duì)橋梁的抗震設(shè)計(jì)中。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，高架橋是非常容易損毀的，因此城市橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在多級(jí)設(shè)防的原則下對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)控制、延變形、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定等進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)應(yīng)逐步改掉傳統(tǒng)的“以剛克剛”的抗震設(shè)防觀念，使用“以柔克剛”這一新的原則，來(lái)作為震區(qū)城市橋梁防震設(shè)計(jì)的根本出發(fā)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)城市橋梁進(jìn)行抗震性能評(píng)估，然后依據(jù)抗震性能評(píng)估結(jié)果采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)和加固措施，從而提高橋梁的抗震能力，這樣能夠在地震災(zāi)害下最大限度地保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，研究一種可靠的橋梁抗震性能評(píng)估方法就顯得尤為重要。本文就現(xiàn)代城市橋梁的抗震性能評(píng)估方法進(jìn)行探討，并針對(duì)橋梁的抗震設(shè)計(jì)提出了一些建議，希望能夠給以后的設(shè)計(jì)提供幫助。

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