跨斷層橋梁抗震綜述

賈宏宇，楊 健，鄭史雄，趙燦暉，杜修力

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；3.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

近年來，滇西北、藏東南、川西以及東南沿海的公路和鐵路交通網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，使得新修建橋梁數(shù)量和密度大幅度增加.新建川藏鐵路雅安至林芝段起于成雅鐵路雅安站，止于在建拉薩至林芝鐵路林芝站，新建正線長(zhǎng)度995.92 km.其中新建橋梁146.88 km，共98 座，占線路長(zhǎng)度14.75%.川藏鐵路自東向西高程快速抬升，發(fā)育有鮮水河、巴塘、嘉黎等8 條活動(dòng)斷裂帶，存在龍門山、鮮水河、理塘—雅江、瀾滄江、八宿—怒江等12 個(gè)潛在震源區(qū)[1].在綜合考慮地形地貌、道路規(guī)劃、工程成本、建設(shè)周期和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等制約條件的基礎(chǔ)上，活動(dòng)斷層上修建橋梁已成為工程建設(shè)中不可回避的問題[2].在各國(guó)規(guī)范中，跨越活動(dòng)斷層修建橋梁被禁止或采取繞避的辦法.然而，隨著川藏鐵路工作的推進(jìn)，跨越斷層修建橋梁將不可避免，且將來在斷層上修建橋梁可能會(huì)成為常態(tài).國(guó)內(nèi)外可供借鑒的跨斷層橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)甚少[3]，其中2004 年建成通車的Rion-Antirion橋是世界上第一座跨斷層橋梁.2019 年3 月18 日，我國(guó)第一座跨越活動(dòng)斷層的特大橋（海文大橋）運(yùn)營(yíng)通車.在綜合考慮總體線路、造價(jià)和工期等各種因素后，橋梁跨越活動(dòng)斷層的修建方案被采納[4].另外，已明確的跨斷層或非常接近斷層的橋梁占所有橋梁總數(shù)的5%，占比之重，因此，跨斷層橋梁在整個(gè)橋梁網(wǎng)絡(luò)中具有舉足輕重的作用.美國(guó)加利福尼亞州地震頻發(fā)，跨斷層橋梁較多[5].同樣，我國(guó)地震頻發(fā)，斷裂帶分布廣，跨斷層橋梁數(shù)量多.規(guī)范的避讓措施造成跨斷層橋梁未受足夠重視，加之?dāng)鄬訑U(kuò)展和發(fā)育難以預(yù)測(cè)，這些原因造成了我國(guó)對(duì)跨斷層橋梁研究較少.未來我國(guó)跨斷層橋梁數(shù)量可能會(huì)劇增[6-7]，其原因有：1）經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使交通向偏遠(yuǎn)、高烈度區(qū)輻射，增加了跨斷層橋梁出現(xiàn)的概率；2）斷層破裂過程復(fù)雜，空間和時(shí)間的變異性難以控制；3）斷層探測(cè)技術(shù)的局限性，主斷層易于探明，但是次生斷層難于預(yù)測(cè)，造成跨越次生斷層的橋梁被認(rèn)為非跨越斷層.因此，在橋梁建設(shè)中，跨斷層橋梁數(shù)量多，作用重大，跨斷層橋梁的抗震設(shè)計(jì)是橋梁建設(shè)中必須解決的問題.

斷層相對(duì)錯(cuò)動(dòng)造成跨斷層橋梁在斷層兩側(cè)的支撐處具有不同的地面運(yùn)動(dòng).同時(shí)，斷層相對(duì)錯(cuò)動(dòng)也隨之產(chǎn)生了地表破裂永久位移[8-9].橋梁的內(nèi)力和位移響應(yīng)不僅受斷層兩側(cè)不同的地面運(yùn)動(dòng)影響，也要受到斷層地表破裂永久位移的影響[10].這也是跨斷層橋梁與其他橋梁受地震作用的顯著區(qū)別.歷次地震發(fā)現(xiàn)斷層間相對(duì)永久位移對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)產(chǎn)生較大影響，甚至可能導(dǎo)致橋梁垮塌[5].因此，斷層處地震動(dòng)具有明顯的地震動(dòng)空間性.多點(diǎn)地震激勵(lì)模型采用相對(duì)動(dòng)力位移和擬靜力位移分別模擬斷層兩側(cè)地面振動(dòng)和斷層永久地面位移，能真實(shí)反映斷層處地震動(dòng)的空間性[11].對(duì)于跨斷層橋梁采用多點(diǎn)地震激勵(lì)的地震輸入模式是非常合理和必要的[12-13].然而，針對(duì)不同形式的橋梁結(jié)構(gòu)，地表永久位移對(duì)其內(nèi)力和位移的影響是不同的.對(duì)于柔性結(jié)構(gòu)，擬靜力位移考慮的永久地表位移影響相對(duì)較小，這類結(jié)構(gòu)主要受地面振動(dòng)的相對(duì)動(dòng)力位移控制[14].對(duì)于剛度較大的結(jié)構(gòu)，永久地表位移將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響，甚至引起垮塌[15].另外，跨斷層橋梁還受斷層位置、斷層與橋梁相交角度、速度脈沖效應(yīng)和上盤效應(yīng)等因素的影響[16]，跨斷層橋梁的抗震分析需要進(jìn)行專門研究.

目前，跨斷層橋梁抗震研究主要集中在以下方面：1）地震動(dòng)輸入方面，正確斷層地震動(dòng)輸入是確保結(jié)構(gòu)響應(yīng)準(zhǔn)確的先提條件，諸多學(xué)者研究了斷層面兩側(cè)附近場(chǎng)地實(shí)測(cè)地震波特征，但因跨斷層實(shí)測(cè)地震波相對(duì)較少，隨后發(fā)展了跨斷層處人工地震波合成技術(shù)[17-18].隨著斷層處實(shí)測(cè)地震波的增加，更多學(xué)者采用基于多段函數(shù)基線校正的方法來處理斷層地震動(dòng)，消除實(shí)測(cè)波中各種噪聲.也消除基礎(chǔ)偏移帶來的影響，并有效保留地震波原有的頻譜特性，最重要的是能保留斷層處永久地面位移[19-20].地表永久位移是斷層處地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震的最大差別之一.2）簡(jiǎn)化計(jì)算方法方面[21-22]，反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法和隨機(jī)振動(dòng)法等傳統(tǒng)方法是否能直接應(yīng)用到跨斷層橋梁抗震分析中是學(xué)者討論的問題.學(xué)者從抗震設(shè)計(jì)角度出發(fā)，研究了簡(jiǎn)化計(jì)算方法在跨斷層橋梁動(dòng)力的峰值響應(yīng)，其結(jié)果能滿足工程需求.

地處高烈度區(qū)的中國(guó)西部城鎮(zhèn)，其路網(wǎng)的發(fā)展使跨斷層橋梁數(shù)量越來越多，但是跨斷層橋梁在斷層地震作用下的受力特點(diǎn)、破壞模式和倒塌機(jī)理仍缺乏認(rèn)識(shí)，更缺乏指導(dǎo)跨斷層橋梁抗震設(shè)計(jì)的具體說明和規(guī)范.鑒于此，本文在收集、歸納和分析跨斷層橋梁的震害資料基礎(chǔ)上，總結(jié)其破壞機(jī)理和抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn).研究成果為改進(jìn)橋梁抗震設(shè)計(jì)理論、擬訂跨斷層橋梁抗震規(guī)范以及跨斷層橋梁防倒塌措施提供參考.對(duì)跨斷層橋梁未來研究方向給出建議，供學(xué)者們研究討論.

1 斷層類型及特征簡(jiǎn)介

1.1 斷層類型

斷層是地殼巖石受力且超過其承載能力而發(fā)生斷裂，沿破裂面兩側(cè)巖塊發(fā)生顯著相對(duì)位移的構(gòu)造.斷層分為正斷層、逆斷層和平移或走滑斷層.

1.2 斷層地震動(dòng)特征

根據(jù)歷年斷層地震動(dòng)對(duì)跨斷層橋梁結(jié)構(gòu)破壞資料的統(tǒng)計(jì)分析[23]，通過地震震源過程的反演和斷層地震動(dòng)的數(shù)值模擬[24-27]，斷層地震動(dòng)的基本特征有：

1）上盤效應(yīng)[28-33]

強(qiáng)震觀測(cè)記錄研究表明，在斷層距相等的范圍內(nèi)，上盤觀測(cè)點(diǎn)A的地震動(dòng)峰值（包括加速度峰值、速度峰值和位移峰值）大于下盤，且上盤場(chǎng)地各點(diǎn)反應(yīng)譜值也大于下盤.但是，下盤地震動(dòng)持時(shí)長(zhǎng)于上盤.在距離斷層地表跡線距離（斷層距L）相同的兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，上盤點(diǎn)A較下盤點(diǎn)B到發(fā)震斷層面的距離要小，即R1

圖1 上盤效應(yīng)（幾何表示）Fig.1 Hanging wall effect (geometric representation)

2）滑沖效應(yīng)[34-37]

地震過程中靜力形變場(chǎng)使得斷層某一方向位移時(shí)程中含有的永久性地表位移被稱為滑沖效應(yīng)（Fling step）（圖2、3）.滑沖效應(yīng)發(fā)生在斷層滑動(dòng)的方向，走滑斷層時(shí)其方向與斷層走向平行，傾滑斷層時(shí)斷層走向與之垂直.

圖2 斷層類型及特征Fig.2 Fault types and characteristics

3）破裂方向效應(yīng)[16,33,38-40]

破裂方向效應(yīng)是斷層破裂以近似剪切波速的速度朝著特定場(chǎng)地傳播與發(fā)震層沿相同方向傳播的剪切波相互作用.據(jù)不同的斷層破裂和滑動(dòng)方向，破裂方向效應(yīng)分為向前和向后方向性效應(yīng)兩種（圖4）.

4）速度脈沖效應(yīng)[18,41-42]

速度脈沖效應(yīng)是指在近斷層地震動(dòng)速度時(shí)程中含有較長(zhǎng)周期的高能脈沖型運(yùn)動(dòng).速度脈沖來源于破裂方向性和滑沖效應(yīng)兩個(gè)方面.破裂方向性效應(yīng)引起的地震動(dòng)雙向速度脈沖斷層傾角較小時(shí)表現(xiàn)在垂直斷層面的方向上，斷層傾角較大時(shí)則在垂直斷層走向的方向上.另外，滑沖效應(yīng)引起的單向速度脈沖表現(xiàn)在平行斷層滑動(dòng)方向上.因此，引起垂直斷層面的方向上速度脈沖的破裂方向性效應(yīng)和引起斷層的滑動(dòng)方向上速度脈沖的滑沖效應(yīng)組成了斷層速度脈沖效應(yīng).對(duì)于走滑斷層，速度脈沖主要體現(xiàn)在破裂方向性效應(yīng)引起的垂直分量和滑沖效應(yīng)引起的平行于斷層走向分量.相對(duì)走滑斷層，傾滑斷層速度脈沖較為復(fù)雜，垂直斷層面方向的速度脈沖分量同時(shí)受破裂方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)控制（圖4）.

圖4 逆沖斷層破裂方向性Fig.4 Directivity and sliding effect in thrust fault mechanism

圖3 1999 年臺(tái)灣集集地震TCU084 臺(tái)站記錄的UNE 三向滑沖效應(yīng)（U：豎向；N：北；E：東）Fig.3 Sling step effect in UNE directions recorded by TCU084 station in Jiji earthquake in Taiwan,1999 (U：vertical;N：north;E：east)

綜上所述，斷層地震具有顯著的上盤效應(yīng)、滑移效應(yīng)、破裂方向性效應(yīng)、速度脈沖等特征.斷層地震這些特征對(duì)各種橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的影響較為復(fù)雜，需要大量的震害分析、理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值分析等方法來探究斷層地震對(duì)橋梁的破壞機(jī)理，有效減隔震措施，進(jìn)一步保障跨斷層橋梁的安全性.

2 跨斷層橋梁破壞及分析

歷年地震災(zāi)害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，跨斷層橋梁破壞嚴(yán)重[5,41]，輕則造成跨斷層橋梁局部損傷，重則引起落梁甚至倒塌.本文以早期跨斷層橋梁抗震研究為基礎(chǔ)[42-45]，總結(jié)分析了跨斷層橋梁破壞原因，為后續(xù)跨斷層橋梁相關(guān)研究提供參考.

2.1 舊金山地震（1906，矩震級(jí)Mw=7.8，加利福尼亞）

1906 年美國(guó)舊金山地震中，奧爾德溪大橋（Alder Creek Bridge）由于斷層從靠近西南一側(cè)橋臺(tái)附近穿越，且地震造成的斷層軌跡的水平錯(cuò)位較大，從而導(dǎo)致該橋在地震中倒塌.帕哈羅河橋（Pajaro River Bridge）是一座跨越活動(dòng)斷層的五跨曲線鋼桁架鐵路橋，斷層以45° 角度從該橋3 號(hào)墩下穿過，地震造成地表破裂從而導(dǎo)致墩頂混凝土開裂和墩梁之間相對(duì)位移增加，也使梁體偏離2 號(hào)橋臺(tái)大約1.1 m[46]（圖5，圖中：A2 表示2 號(hào)橋臺(tái)，P1 表示1 號(hào)橋墩，余同）.另外，位于瓜拉拉河（Gualala River）上一座木橋和俄羅斯河（Russian River）上的舊橋也因?yàn)榭缭降卣饠鄬邮艿絿?yán)重破壞.

圖5 帕哈羅河橋（單位：m）Fig.5 Pajaro River Bridge (unit：m)

2.2 唐山地震（1976，Mw=7.8，河北）

1976 年唐山地震中，豐南縣稻地村橋跨越活動(dòng)斷層，地震使得第一孔相對(duì)于初始設(shè)計(jì)位置縮短了0.7 m.同時(shí)，斷層地表永久位移使第二孔相對(duì)位移增加和橋墩傾斜，導(dǎo)致落梁破壞（圖6）.此外，滏陽(yáng)河后辛莊橋因斷層從第二孔中間穿越，地表永久位移導(dǎo)致兩墩之間相對(duì)位移過大，發(fā)生落梁破壞（圖7）.

圖6 豐南縣稻地村橋Fig.6 Daodi Bridge in Fengnan county

圖7 滏陽(yáng)河后辛莊橋Fig.7 Hou xin zhuang Bridge in Fuyang river

2.3 土耳其地震（1999，Mw=7.4，科卡利）

1999 年土耳其地震中，位于亞達(dá)帕扎里市（Adapazari）附近的跨歐洲高速公路上的阿里菲耶高架橋（Arifiye Overpass）是一座4 跨斜交U 型簡(jiǎn)支梁橋，全長(zhǎng)104 m.阿里菲耶高架橋采用板式橋墩.橋墩和橋臺(tái)由現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁支撐.斷層軌跡與縱橋向夾角為65°，地震造成最北端的橋梁完全倒塌，其他三跨也落梁，最終造成一輛過路公共汽車上10 名乘客死亡[45,47].位于阿里菲耶高架橋東邊1 km 遠(yuǎn)的一號(hào)高架橋是一座兩跨簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力橋，采用板式橋墩，斷層從東南側(cè)的橋臺(tái)穿過，造成了彈性支座5 cm 剪切變形，全橋破壞不大.位于阿里菲耶天高架橋東邊400 m 遠(yuǎn)的2 號(hào)高架橋采用4 跨簡(jiǎn)支和板式橋墩的結(jié)構(gòu)形式，斷層從東北邊的橋臺(tái)穿越，梁體與橋臺(tái)發(fā)生碰撞導(dǎo)致胸墻破壞，彈性支座在橫向方向產(chǎn)生了2.5 cm 剪切變形；4 號(hào)高架橋位于阿里菲耶天高架橋西邊400 m，4 跨簡(jiǎn)支橋梁，采用板式墩，因地表破裂造成西南側(cè)橋梁發(fā)生小的破壞[47].5 號(hào)橋薩卡里亞中心橋（Sakarya Center Bridge）總長(zhǎng)92 m，8 跨（10 m+6×12 m+10 m）簡(jiǎn)支鋼橋，采用鋼樁.因斷層貫穿西邊橋臺(tái)，地震中橋完全垮塌[48]（見圖8）.

圖8 阿里菲耶高架橋Fig.8 Arifiye Overpass

2.4 集集地震（1999，Mw=7.6，臺(tái)灣）

烏石大橋（Wu-Shi Bridge）位于3號(hào)省道的210 km+317 m 處，是一座約長(zhǎng)625 m、雙向18 跨的簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁橋（圖9（a）），采用板式墩（東橋）和獨(dú)柱墩（西橋）加沉箱基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式（圖9（b））.東橋除了P3E、P9E 和P15E 墩外，其他由兩個(gè)較小的橋墩和一個(gè)橋墩墻連接而成.斷層破裂方向?yàn)镹60°E，正好從墩P2 和P3 中間以相交40° 角度穿過（橋軸線方向?yàn)镹20°E）.經(jīng)詳細(xì)地形測(cè)量之后，斷層蹤跡與墩P3W 和P3E 相交，且在這兩墩周圍形成小的地面破裂.在烏石橋的東側(cè)，次斷層線重新與另一條從河谷向北延伸的斷層線連接（圖9（c））.東西兩幅橋經(jīng)歷不同的空間地震，破壞形式不一樣.東橋D1E 和D2E 兩跨倒塌，D3E 跨向西的錯(cuò)位.由于板式墩具有強(qiáng)的抗剪能力，所以未出現(xiàn)剪切破壞，P3E 墩出現(xiàn)彎曲裂縫和鋼筋斷裂.西橋幾乎所有的墩都遭到破壞，但是沒有垮塌.P1W 墩和P2W 墩遭受最嚴(yán)重的剪切破壞也沒有倒塌（圖9（e））.圖9 中：P1～P17 表示1～17 組橋墩，P2E 代表第2 組墩位處東部橋墩，P1W 代表第1 組墩位處西部橋墩，余同）

圖9 烏石大橋（單位：m）Fig.9 Wu-Shi Bridge (unit：m)

石圍大橋（Shi-Wei Bridge）位于3 號(hào)省道的163 公里+278 m 處，是一座約75 m 長(zhǎng)、雙向三跨、簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土工字曲線梁橋，采用單柱墩和沉箱基礎(chǔ)（圖10（a）、（b））.地表斷層破裂蹤跡從A2 號(hào)橋臺(tái)（東南向橋臺(tái)）穿過，迫使橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重變形.在A2 號(hào)橋臺(tái)上方的山丘上，可見1.5～2.0 m 的陡坎，橋臺(tái)附近的擋土墻向河流方向坍塌[49].西橋的D2W 和D3W 兩跨以及東橋的D3E 跨發(fā)生了落梁破壞（圖10（c））.此外，P1W、P2W、P1E 和P2E 墩在離地面2 m 的高度處發(fā)生了剪切破壞和完全開裂破壞.另外，石圍大橋幾乎所有的剪力鍵和支座都被破壞[50].圖10 中：D1W 代表D1 跨處東跨橋梁，D1E代表D1 跨處西跨橋梁，余同.

圖10 石圍大橋Fig.10 Shi-Wei Bridge

明津大橋（Ming-Tsu Bridge）位于三號(hào)省道233 km+564 m 處，是一座長(zhǎng)700 m、28 跨、簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁橋（圖11（a））.下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱墩和沉箱基礎(chǔ)（圖11（b））.A2 橋臺(tái)附近（東南橋臺(tái)）發(fā)生地表斷裂（圖11（c））.東橋3 跨（D23E、D25E、D27E），西橋6 跨（D22-25W、D27W、D28W）坍塌，在地震中一輛卡車和一輛摩托車從橋上掉下來.此外，6 個(gè)最南端的橋墩（P22-P27）遭受裂縫、傾斜和坍塌等嚴(yán)重?fù)p壞，而橋臺(tái)A2 的后壁受到上部結(jié)構(gòu)的碰撞，在強(qiáng)烈的縱向地面運(yùn)動(dòng)中而被擠壓到回填土中（圖11（d））.

圖11 明津大橋Fig.11 Ming-tsu Bridge

名竹大橋是竹山通往名間的必經(jīng)之道，斷層經(jīng)過濁水溪之后繼續(xù)向南延伸，由名竹大橋南端的第2 與第3 橋墩之間通過，造成橋墩的傾倒與橋面的斷裂（圖12），該橋震后重建.

圖12 震后名竹大橋Fig.12 Mingzhu Bridge after earthquake

2.5 杜茲地震（1999，Mw=7.2，土耳其）

博盧（Bolu Viaduct）1 號(hào)高架橋位于博盧（Bolu）與杜茲（Duzce）之間的一段歐洲高速公路上，長(zhǎng)約2.3 km，雙幅59 跨（跨度39.2 m），單樁形式且墩高在10～49 m 變化，采用隔震系統(tǒng)和樁基礎(chǔ)，簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋.隔震系統(tǒng)由滑動(dòng)盆軸承和鋼屈服裝置組成.當(dāng)1999 年的杜茲地震發(fā)生時(shí)，這座橋的建造幾乎剛修建完成.表面斷層破裂從兩墩之間穿越，相對(duì)橋軸線夾角大約20°～30°.南橋墩和北橋墩在順時(shí)針方向經(jīng)歷了大約12° 的剛體轉(zhuǎn)動(dòng).墩梁之間相對(duì)位移較大使得梁端與支座產(chǎn)生錯(cuò)位.此外，滑動(dòng)軸承和隔離系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞.因橫向的剪力鍵和縱向的混凝土擋塊/纜索提供的約束作用，避免了上部結(jié)構(gòu)的落梁破壞.

2.6 汶川地震（2008，Mw=7.9，四川）

映秀順河大橋位于映秀鎮(zhèn)，橋軸線平行于岷江河，是一座長(zhǎng)248 m，簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力空心板橋，采用單柱（A1，P1～P5，P16，P17，A2）和雙柱墩（P6～P15）相結(jié)合、樁基礎(chǔ)形式.2008 年汶川地震時(shí)，這座橋除橋面正在施工外，幾乎完工了.地表斷裂以接近直角從P8 號(hào)和P9 號(hào)橋墩之間穿過（圖13（a）、（b））.斷層破裂產(chǎn)生的水平和豎向位移分別為1.0 m 和0.5 m.顯著的地表永久位移導(dǎo)致了D1 跨首先坍塌，隨后引發(fā)剩余跨度連續(xù)倒塌（圖13（c））.此外，部分橋墩頂部出現(xiàn)彎剪破壞.圖中：D1～D18 表示1～18 號(hào)橋跨.

圖13 映秀順河大橋Fig.13 Yinxius Hunhe Bridge

小魚洞大橋位于小魚洞鎮(zhèn)的白水河上，長(zhǎng)189 m，4 跨簡(jiǎn)支梁鋼筋混凝土雙柱墩的剛架拱橋（圖14（a））.斷層地表破裂跨越了大橋上游近70 m 的東堤，造成約1.5 m 的垂直偏移，而水平殘余位移可忽略不計(jì).隨后，地表斷層沿東堤向下游延伸，并在A1 橋臺(tái)后約10 m 和50 m 處穿過引道（圖14（b））.橋軸線與斷層蹤跡的夾角大約75°.A1 橋臺(tái)后引道因地表斷裂破壞嚴(yán)重（圖14（c））.最西邊的兩跨（D3 和D4）完全坍塌，P3 橋墩向A2 橋臺(tái)傾斜（圖14（d））.此外，橋臺(tái)和D1 跨均受到嚴(yán)重?fù)p壞，而D2 跨受到的損壞較小（圖14（e））.

圖14 小魚洞大橋Fig.14 Xiaoyudong Bridge

虹口高原橋是4 跨23 m 簡(jiǎn)支空心板橋，斷裂從第1 跨穿過，永久地表位移導(dǎo)致第1 孔跨度減小，主梁撞壞橋臺(tái)，并插入橋臺(tái)內(nèi)，第二孔跨度增大，主梁落梁，橋墩傾斜（圖15）.

圖15 虹口高原橋Fig.15 Hongkou Gaoyuan Bridge

百花大橋?qū)儆赟 型曲線連續(xù)梁.該橋第5 聯(lián)5×20 m 發(fā)生連續(xù)梁垮塌，其余聯(lián)跨出現(xiàn)極為嚴(yán)重的破壞.最終百花大橋喪失通行能力，完全失效，隨后被炸毀.具體破壞過程見圖16.

圖16 百花大橋Fig.16 Baihua Bridge

綜上所述，地震橋梁震害表明：1）地表永久位移對(duì)橋梁具有很強(qiáng)的破壞力，永久地表位移變化幅度較大，小者數(shù)十厘米，大者可達(dá)數(shù)米.永久地表位移導(dǎo)致地表的隆起或下陷，同時(shí)伴有水平位移，引發(fā)主梁的相對(duì)高差和水平錯(cuò)動(dòng)，是導(dǎo)致橋梁垮塌的主要因素；2）橋墩破壞以剪切破壞為主；3）震害調(diào)查涉及簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋和拱橋，未有斜拉橋和懸索橋相關(guān)震害.

3 斷層地震動(dòng)

眾所周知，合理的地震動(dòng)輸入是獲得正確結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的前提.針對(duì)跨斷層橋梁結(jié)構(gòu)而言，真實(shí)的斷層地震動(dòng)對(duì)跨斷層橋梁抗震性能的評(píng)估起著決定性作用.然而，復(fù)雜的斷層構(gòu)造和破壞機(jī)理決定了斷層處地震動(dòng)實(shí)測(cè)和模擬的困難性[17,25,42].斷層地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞主要來源于發(fā)震層產(chǎn)生的振動(dòng)和地表永久位移.與同震源的遠(yuǎn)場(chǎng)地震相比，斷層處地面振動(dòng)更強(qiáng)烈且伴隨斷層錯(cuò)動(dòng)造成的地面永久位移.另外，斷層地面運(yùn)動(dòng)還具有上盤效應(yīng)、破裂方向性、滑沖效應(yīng)和速度脈沖效應(yīng)特征[19].跨斷層地震波主要有兩種來源：實(shí)測(cè)地震波和人工合成地震波.

3.1 實(shí)測(cè)斷層地震波

1999 年之前，震級(jí)大于7.0 級(jí)，斷層距小于20 km的強(qiáng)震記錄僅有8 組，斷層地震動(dòng)的研究沒有足夠的信息支撐.1999 年9 月21 日中國(guó)臺(tái)灣7.6 級(jí)集集地震，斷層實(shí)測(cè)地震波首次被記錄.另外，1999 年7.4 級(jí)土耳其地震，相當(dāng)大一部分?jǐn)?shù)量的近斷層地震記錄被收集.大量的地震記錄為跨斷層橋梁抗震和斷層機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ).但是，背景噪聲、儀器噪聲、強(qiáng)震儀傾斜等因素導(dǎo)致斷層附近的地震記錄產(chǎn)生基線漂移.以臺(tái)灣集集地震臺(tái)站TCU084 所記錄到的3 個(gè)方向（U、N 和E）地震動(dòng)為例，地震時(shí)地面的強(qiáng)烈振動(dòng)可能使臺(tái)陣場(chǎng)地發(fā)生不均勻變形、滑移，致使傳感器傾斜.傾斜可能導(dǎo)致加速度基線嚴(yán)重漂移.斷層處地震動(dòng)記錄一般需要經(jīng)過基線校正才能為結(jié)構(gòu)抗震所服務(wù)，但是斷層處地震波低頻成分包括的地表開裂永久位移被高通濾波器濾掉[51].如：美國(guó)地調(diào)局BAP（basic acceleration processing）方法，其中包括BAP-1 和BAP-2 兩種方法[52].高通濾波方法修正含永久位移的斷層地震波會(huì)濾掉永久位移，不合適處理這類地震動(dòng)的基線校正.

針對(duì)含永久位移的斷層地震動(dòng)，Iwan 等基于對(duì)PDR-1 和FBA-13 型數(shù)字化強(qiáng)震儀的性能試驗(yàn)研究，提出了Iwan-1 和Iwan-2 方法[53].王國(guó)權(quán)等提出了Wang-Zhou 模型，比較好地消除了近斷層強(qiáng)震記錄的基線偏移，但是該方法不具有通用性，擬合速度時(shí)程的末尾部分取65～90 s，主觀經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)[54].林元錚基于Iwan 法提出了新的基線校正方法并應(yīng)用到跨斷層斜拉橋抗震性能評(píng)估中[19].吳先敏等在Iwan 法和EMD 法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的基線漂移處理方法，并與ANSYS 結(jié)合，采用大質(zhì)量法和大剛度法分析結(jié)構(gòu)在空間地震作用的響應(yīng)[55].張斌等基于Iwan 法，引入“時(shí)移斜率比”“校正后位移的最大平坦度”和“均方根偏差”3 個(gè)參數(shù)消除基線校正過程中經(jīng)驗(yàn)主觀性，并提出了改進(jìn)的基線校正方法[56].此外，惠迎新等對(duì)斷層地震動(dòng)基線校正提出了改進(jìn)方法或?qū)Ω鞣N基線校正方法進(jìn)行了對(duì)比分析和探討[42,57-60].總之，斷層地震記錄應(yīng)該滿足地震開始時(shí)加速度、速度和位移時(shí)程為0，地震結(jié)束時(shí)加速度為0，速度為0，位移平行于時(shí)間軸[61].斷層處地震動(dòng)基線校正方法缺乏普適性，主觀經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，還有待進(jìn)一步研究.

3.2 人工合成斷層地震波

由于實(shí)測(cè)地震波的缺乏，人工地震波作為天然波的重要補(bǔ)充，在橋梁抗震分析中起著重要作用[62].斷層地震屬于一種特殊的近斷層地震.合成斷層處地震動(dòng)時(shí)要綜合考慮上盤效應(yīng)、滑沖效應(yīng)、速度大脈沖效應(yīng)和破裂方向性效應(yīng)等因素[18].

斷層處人工地震波合成方法主要有確定性方法、隨機(jī)方法和混合方法[24].確定性方法中常用的方法有三維有限差分方法、離散波數(shù)法和有限元方法.最近，半經(jīng)驗(yàn)方法[63]、有限斷層震源模型方法[64]、顯式有限元方法[65]和三維有限差分法[66]被發(fā)展來模擬近斷層地震動(dòng).

3.3 斷層地表破裂位移量的預(yù)測(cè)

跨斷層橋梁抗震設(shè)計(jì)主要受斷層地表破裂產(chǎn)生的擬靜力位移控制，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地表破裂位移是非常重要的研究課題.準(zhǔn)確的地表破裂位移預(yù)測(cè)是跨斷層橋梁抗震分析的基石和關(guān)鍵因素.目前，斷層破裂位移預(yù)測(cè)方法以基于概率的方法為主[67-69].基于地震危險(xiǎn)性分析（PFDH）提出了概率的斷層位移危害性分析方法（PFDHA）.該方法簡(jiǎn)單易于理解，直接利用斷層位移衰減函數(shù)替代地震危險(xiǎn)性分析中的地震動(dòng)衰減函數(shù)，單獨(dú)一個(gè)事件中，其表達(dá)式為

斷層位移危害性分析方法流程如圖17.

圖17 斷層位移危害性分析方法流程Fig.17 Flowchart of PFDHA

4 跨斷層橋梁分析方法及數(shù)值模擬

4.1 理論分析方法

橋梁抗震分析方法主要有反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法和隨機(jī)振動(dòng)法3 種[70-71].跨斷層橋梁的計(jì)算分析方法基本源于這3 種方法.針對(duì)跨度小于90 m的普通混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，2009 年Goel 和Chopra 提出了反應(yīng)譜和時(shí)程分析的簡(jiǎn)化方法，用于評(píng)估線性橋梁結(jié)構(gòu)地震需求，再結(jié)合永久位移產(chǎn)生的擬靜力位移需求，最終得到結(jié)構(gòu)峰值響應(yīng).總的峰值響應(yīng)與非線性動(dòng)力時(shí)程峰值響應(yīng)結(jié)果一致[72].

橋梁設(shè)計(jì)需要最不利荷載，因此普通跨斷層橋梁的線性分析主要是對(duì)其峰值進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估.另外，斷層處的空間地震動(dòng)采用多點(diǎn)激勵(lì)或比例多點(diǎn)激勵(lì)方法模擬.在空間斷層地震作用下，假設(shè)梁墩l處平行和垂直于斷層兩個(gè)方向上的位移分量分別為，采用比例多點(diǎn)激勵(lì)法可表示為

為了在評(píng)估普通橋梁結(jié)構(gòu)在斷層地震作用下總的極值響應(yīng)時(shí)考慮的非線性效應(yīng)，2009 年Goel 和Chopra[10]把模態(tài)推覆分析、線性動(dòng)力分析和線性靜力分析方法從彈性范圍擴(kuò)展到了非彈性范圍，用以評(píng)估擬靜力項(xiàng)和動(dòng)力項(xiàng)之和的結(jié)構(gòu)地震需求.此外，Konakli 等[73]在平穩(wěn)和零殘余滑移的前提下，基于多點(diǎn)反應(yīng)譜法理論框架評(píng)估了跨斷層橋梁的地震響應(yīng)需求，采用相干函數(shù)來表征走滑斷層的地震動(dòng)空間變異性.Anastasopoulos 等[74]針對(duì)跨斷層橋梁考慮土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)相互作用后，提出兩步設(shè)計(jì)方法：第一步作為局部分析，處理單樁、基礎(chǔ)和簡(jiǎn)化上部結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)；第二步作為整體分析，將第一步獲得位移施加到詳細(xì)的上部結(jié)構(gòu)模型中，并得到上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng).基于有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行大量參數(shù)分析，認(rèn)為橋梁自身的重量可能改變斷層破裂路徑，樁基礎(chǔ)在斷層處是容易被破壞而大型沉箱基礎(chǔ)基礎(chǔ)較為有利，斷層位置對(duì)結(jié)構(gòu)有重要影響.Saiidi等[75]將Goel 和Chopra 提出的線性靜力分析方法應(yīng)用到兩跨混凝土橋梁的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)比了來自振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，線性靜力分析和非線性時(shí)程分析的梁體間相對(duì)位移峰值響應(yīng)，結(jié)果吻合較好.Shantz等[76]提出了斷層危險(xiǎn)性分析方法，以倒塌概率作為橋梁建造成本投入的指標(biāo)，對(duì)不同設(shè)計(jì)水準(zhǔn)下的橋梁進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)設(shè)計(jì)一座橋梁以適應(yīng)較大的斷層偏移量時(shí)，研究投資成本與倒塌概率的關(guān)系.

Todorovska 等[77]基于概率地震危害分析框架評(píng)估了跨斷層橋墩相對(duì)位移峰值響應(yīng)，考慮了來自地面振動(dòng)的動(dòng)力、行波作用下的擬靜力和地面永久位移產(chǎn)生的靜力的作用效應(yīng)后，給出了一定期限內(nèi)特定超越概率下的墩體動(dòng)力響應(yīng)的一致災(zāi)害相對(duì)位移譜.Gazetas 等[78]基于三維有限元軟件ABAQUS，采用有限元模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤叽绱笮?，研究了傾滑斷層地震動(dòng)作用和考慮土壤應(yīng)變軟化情況下的下沉箱基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng).試驗(yàn)和數(shù)值模型均研究了斷層類型、斷層位移大小、位置對(duì)沉箱基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)的影響.總體上模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果基本上一致，但是數(shù)值模擬中未體現(xiàn)試驗(yàn)中的一些細(xì)節(jié)位置應(yīng)變，兩者的差異主要源于模型試驗(yàn)的縮尺效應(yīng).模型試驗(yàn)和數(shù)值模型中沉箱基礎(chǔ)頂部的平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)響應(yīng)一致.

4.2 數(shù)值模擬分析

1999 年Duzce 地震中，采用屈服鋼消能裝置和滑動(dòng)盆式支座隔震技術(shù)的1 號(hào)Bolu 高架橋跨越北安那托利亞斷層，文獻(xiàn)[79-81]基于非線性動(dòng)力時(shí)程分析，采用有限元軟件ABAQUS 和SAP2000 分析了斷層地震動(dòng)空間效應(yīng)對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)的影響.當(dāng)不考慮斷層效應(yīng)時(shí)，隔震位移需求由隔震系統(tǒng)的恢復(fù)力確定.而考慮斷層效應(yīng)后，兩套隔震系統(tǒng)位移需求由斷層永久位移控制.高通濾波對(duì)斷層地震動(dòng)進(jìn)行處理后，移除了低頻的永久位移成分，采用高通濾波后會(huì)低估跨斷層橋梁地震響應(yīng)需求.Luo 等[82]基于SAP2000 采用反應(yīng)譜法和線性時(shí)程法對(duì)跨越走滑斷層的斜拉橋進(jìn)行地震分析，兩種方法得到的動(dòng)力響應(yīng)吻合較好.當(dāng)墩和上部結(jié)構(gòu)橫向約束被釋放后，墩底的剪力和彎矩將會(huì)減小.不考慮斷層效應(yīng)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)將被低估.楊懷宇等[83]考慮隔震橋梁在斷層地震作用下的響應(yīng)問題，針對(duì)性地研究了鉛芯橡膠支座和盆式橡膠支座在斷層地震作用下對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響以及減隔震效果.惠迎新等[42,84-85]基于非線性有限元軟件OpenSEES 研究了斷層角度、位置、墩高和支座類型對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響.曾亞光[18]研究了深水大跨斜拉橋跨越走滑斷層情況下的動(dòng)力響應(yīng)，地震強(qiáng)度、水深、斷層角度和位置均被討論研究，最大的彎矩和剪力響應(yīng)發(fā)生在主塔底部，最大位移發(fā)生在塔頂部.隨著水深的增加，主塔地震響應(yīng)隨之增加，因此考慮水對(duì)斜拉橋的影響是非常必要的.另外，從斷層位置和角度討論看，以該斜拉橋的簡(jiǎn)支梁跨垂直跨越走滑斷層，相對(duì)來說是最有利的.Wu 等[86]針對(duì)跨越逆斷層的四跨橋梁進(jìn)行了時(shí)域動(dòng)力分析，研究表明地震動(dòng)空間性不可忽略，會(huì)增大結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，斷層永久位移會(huì)使跨斷層橋梁產(chǎn)生殘余位移.Mahmood 等[87]評(píng)價(jià)混凝土直線型和曲線型箱梁橋在隔震和非隔震狀態(tài)下的地震反應(yīng).研究表明，增加非隔震橋梁的曲率增大了橋梁的不規(guī)則性.增加橋面板的曲率會(huì)增加橋墩在弧形徑向上的剪力、彎矩和位移，導(dǎo)致橋墩在徑向上更易受損.

Zhang 等[20]研究了斷層破裂對(duì)公路簡(jiǎn)支梁橋地震響應(yīng)，選取了6 組在斷層平行方向上具有滑沖效應(yīng)和在斷層正方向上具有向前方向性效應(yīng)的地震動(dòng)作為地震輸入.對(duì)斷層地震波進(jìn)行了基線校正，確保斷層地震動(dòng)中低頻成分的永久地表位移存在.基于OpenSEES 建立了公路簡(jiǎn)支梁橋有限元模型，研究了15°～165° 的跨斷層角度和永久位移幅值對(duì)橋梁抗震性能的影響.針對(duì)梁體與橋臺(tái)之間縱向接觸情況進(jìn)行對(duì)比討論.總體來說，地表永久位移和斷層角度對(duì)橋梁有重要影響，對(duì)跨斷層橋梁設(shè)計(jì)需要重視（圖18），圖中：Pbw為碰撞力；Kabut為橋臺(tái)剛度；Δgap為間隙；Δeff為等效剛度；Fy為梁碰撞力；Kp為梁剛度；K1為彈性剛度；K2為尾服剛度；εsu是鋼筋極限應(yīng)變；Δy、Δn、Δcu、Δu分別為鋼筋屈服變形、混凝土屈服變形、混凝土極限變形、鋼筋極限變形；Vn為外力；Vc為混凝土剪力；fy為鋼筋屈服應(yīng)力；εsu為鋼筋極限應(yīng)變；Vs為鋼筋剪力；fsu為鋼筋極限應(yīng)力；εsh為鋼筋屈服應(yīng)變；Es為鋼筋彈性模量；Esh為鋼筋強(qiáng)化切線模量；分別為非約束和約束混凝土屈服應(yīng)力；εcc、εco分別為約束和非約束混凝土屈服應(yīng)變；Ec為混凝彈性模量；為混凝土極限應(yīng)力；εcu為混凝土極限應(yīng)變；P為集中力.Lin 等[41]基于LS-DYNA 數(shù)值模擬和1∶10 尺寸的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了跨逆斷層的鋼-混組合剛構(gòu)橋地震性能.斷層位置、角度和滑沖效應(yīng)被系統(tǒng)討論（圖19）.總之，針對(duì)跨斷層大跨度橋梁動(dòng)力計(jì)算，非線性動(dòng)力時(shí)程法計(jì)算工作量較大，而且反應(yīng)譜和線性時(shí)程方法的簡(jiǎn)化方法也僅僅滿足普通橋梁的計(jì)算需求，而對(duì)幾何非線性較強(qiáng)的大跨度斜拉橋和懸索橋的簡(jiǎn)化方法還沒有學(xué)者提出.數(shù)值模擬主要集中在LS-DYNA、SAP2000、ABAQUS 和OpenSEES 四種軟件基礎(chǔ)上.LS-DYNA和ABAQUS 顯式動(dòng)力分析可分析跨斷層橋梁大變形、強(qiáng)非線性，而SAP2000（V16）橋梁模塊已經(jīng)嵌入了跨斷層橋梁分析模塊和桿系單元模擬方法.OpenSEES 有較強(qiáng)的非線性計(jì)算功能，但是前后處理較繁瑣，實(shí)體建模更不方便.故LS-DYNA 和ABAQUS 是兩款采用實(shí)體模擬跨斷層橋梁動(dòng)力響應(yīng)的具有吸引力的工具.目前，針對(duì)跨斷層多跨簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁體系的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的相關(guān)研究較少.同時(shí)，斜拉橋和懸索橋關(guān)于跨越斷層抗震性能的相關(guān)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)甚少[88].

圖18 三維非線性有限元模型Fig.18 3D nonlinear finite element model

圖19 橋梁模型及假定斷層位置Fig.19 Positions of bridge model and assumed fault

5 跨斷層橋梁抗震設(shè)計(jì)措施

為了避免斷層地震對(duì)跨斷層橋梁的破壞，國(guó)內(nèi)外相關(guān)抗震規(guī)范采用了最直接措施，即：建議橋梁結(jié)構(gòu)盡量與地震活動(dòng)斷層區(qū)域避開一定距離，甚至避免修建在斷層區(qū)域.這是導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外關(guān)于跨斷層橋梁抗震研究較少的重要原因之一.但川藏線鐵路線上的橋梁已無法避免跨越斷層.抗震設(shè)計(jì)供參考的規(guī)范也僅限于最新的鐵路和公路兩本規(guī)范.《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2009 年版）（GB 50111—2006）采用小跨徑和低墩高簡(jiǎn)支梁的辦法跨越活動(dòng)斷層[89].《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）做出了比鐵路規(guī)范相對(duì)詳細(xì)的規(guī)定，采用安全距離避讓斷層，易于修復(fù)的橋型和選擇下盤修建橋梁的措施[90].規(guī)范針對(duì)跨斷層橋梁抗震規(guī)定和建議都相對(duì)粗糙，無細(xì)節(jié)規(guī)定.因此，抗震概念設(shè)計(jì)在跨斷層橋梁抗震中尤為重要.抗震概念設(shè)計(jì)是基于地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等條件總結(jié)和積累起來的基本設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)原則，從概念和結(jié)構(gòu)總體上考慮工程抗震決策，能達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)的方法[91].抗震概念設(shè)計(jì)包括：

1）正確的場(chǎng)地選擇、合理的結(jié)構(gòu)選型和布置、構(gòu)造措施等；2）跨斷層橋梁應(yīng)采用“多級(jí)設(shè)防、分級(jí)破壞”的抗震設(shè)計(jì)理念[92].

一般情況，斷層地表破裂位移可達(dá)數(shù)米，將在相鄰橋墩之間產(chǎn)生較大位移，引發(fā)落梁，造成橋梁垮塌，難以修復(fù).如何防止落梁是跨斷層橋梁抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一.基于跨斷層橋梁防落梁措施及辦法，遵循“多級(jí)設(shè)防、分級(jí)破壞”的抗震設(shè)計(jì)理念，跨斷層橋梁上部結(jié)構(gòu)易用自重輕和抗扭能力強(qiáng)的鋼箱梁簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu).縱橋分級(jí)防落梁措施：第一級(jí)加設(shè)阻尼器；第二級(jí)增加搭接長(zhǎng)度；第三級(jí)設(shè)置防落梁托架或縱向擋塊；第四級(jí)設(shè)置鋼索.橫橋向分級(jí)防落梁措施：一級(jí)擋塊（塑性破壞）；二級(jí)擋塊.為降低梁體滑落至托架的沖擊作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二次破壞，可在托架上增加二級(jí)墊石且在墊石上鋪設(shè)橡膠塊，進(jìn)一步消能減震.另外，將支座墊石縱向加大與墩頂邊緣齊平，防止梁體滑落對(duì)墩頂?shù)亩纹茐模▓D20、21）.

圖20 多級(jí)防落梁措施（單位：cm）Fig.20 Multi-level unseating prevention measures of bridge (unit：cm)

圖21 多級(jí)設(shè)防Fig.21 Multi-level fortification measure

3）橋位布置方面盡量使橋軸線與斷層盡量正交.

4）橋型選擇構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于修復(fù)的靜定結(jié)構(gòu).

5）隔震支座與限位和防落梁裝置配合使用.

6）墩體具有較大的抗剪和抗扭能力，設(shè)置豎向拉索，減小梁體對(duì)墩的二次破壞.

7）宜采用剛度較大的橋臺(tái)對(duì)梁體具有限位作用.

8）宜采用沉箱基礎(chǔ)或鋼管復(fù)合樁.

9）巖土技術(shù)改變斷層破裂路徑，阻礙其破壞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[93-95].將膨脹土作為隔離墻，改變斷層破裂路徑，阻礙破裂路徑穿越結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖22，圖中：S為基礎(chǔ)和土墻之間的間距；HSBW為土墻的高度；S為與自由場(chǎng)理論破裂點(diǎn)的距離；B為基礎(chǔ)跨度；q為附加荷載；H為隔離墻的高；W為隔離墻的寬；φ為土體摩擦角；τ為土體剪切強(qiáng)度）.

圖22 斷層阻斷技術(shù)Fig.22 Fault-blocked technique

6 結(jié)論及展望

本文主要從斷層地震動(dòng)特性、震害分析、斷層地震動(dòng)模擬、計(jì)算方法以及跨斷層橋梁抗震設(shè)計(jì)等方面對(duì)跨斷層橋梁進(jìn)行分析.綜上所述，我國(guó)對(duì)跨斷層橋梁的抗震研究尚處起步階段，跨斷層橋梁倒塌機(jī)理和破壞模式尚不夠明確.斷層空間地震動(dòng)模擬研究較少，斷層破裂機(jī)理有待進(jìn)一步研究.針對(duì)斷層地震動(dòng)的基本特征及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，相對(duì)一致的結(jié)論有：1）國(guó)內(nèi)外針對(duì)跨斷層的簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁和曲線橋梁的研究已有較少研究，對(duì)跨越斷層的大跨度纜索承重橋梁的地震性能評(píng)估太少，幾乎沒有涉及懸索橋；2）跨斷層橋梁抗震概念設(shè)計(jì)尤為重要，采用“多級(jí)設(shè)防、分級(jí)破壞”的抗震設(shè)計(jì)理念是非常必要的；3）斷層地震動(dòng)特性、斷層穿越位置、穿越角度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等都會(huì)對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生重要影響；4）滑沖效應(yīng)脈沖地震動(dòng)對(duì)周期較長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)影響最顯著，增加梁體位移及墩底彎矩，地震過程中后期速度或位移是控制結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵因素；5）斷層破裂地表位移導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相對(duì)位移過大，對(duì)結(jié)構(gòu)造成較大破壞作用，而傾滑斷層類型地震動(dòng)會(huì)造成以剪切破壞和傾斜倒塌為主或者兩種破壞耦合的橋墩破壞形式；6）對(duì)跨越走滑斷層橋梁，因斷層面的相互錯(cuò)動(dòng)，致使斷層面兩側(cè)橋墩扭矩顯著增大.

基于上述的文獻(xiàn)回顧，未來跨斷層橋梁研究重點(diǎn)方向：1）斷層處實(shí)測(cè)地震動(dòng)收集，合理的斷層實(shí)測(cè)地震波處理技術(shù)以及更真實(shí)的人工地震波合成技術(shù)；2）梁橋、拱橋、纜索承重橋以及組合橋梁進(jìn)行跨越斷層能力評(píng)價(jià)體系；3）橋梁抵抗較大地表破裂永久水平和豎向位移措施及新結(jié)構(gòu)體系研究；4）跨斷層橋梁災(zāi)后快速搶修技術(shù)以及修復(fù)加固技術(shù)；5）人工智能技術(shù)與跨斷層橋梁抗震的結(jié)合與應(yīng)用；6）跨斷層橋梁的抗震設(shè)計(jì)理論及數(shù)值仿真方法研究；7）多災(zāi)害下跨斷層橋梁倒塌機(jī)理及防倒塌措施研究；8）跨斷層橋梁抗震韌性研究.

本文通過文獻(xiàn)綜述，揭示了跨斷層橋梁復(fù)雜的破壞形式，探究跨斷層橋梁結(jié)構(gòu)在斷層地震作用下的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、破壞模式、控制抗震設(shè)計(jì)薄弱位置，針對(duì)性地制定跨斷層橋梁多級(jí)設(shè)防，分級(jí)破壞的地震防御措施，修訂抗震規(guī)范具有重要意義.