梁式橋抗震技術現(xiàn)狀、需求及發(fā)展

閆桂豪 李延 胡曉

[摘? 要]：橋梁是交通運輸網(wǎng)絡的咽喉，在震后的緊急救援和抗震救災、災后恢復重建中具有重要的地位。梁橋作為一種重要的橋梁型式，所占的比例約為85%，解決梁式橋的抗震安全性問題可以有效提高路網(wǎng)抗震安全性能。文章根據(jù)汶川、瑪多地震調研結果，設防輸入不準確、概念設計不合理及抗震措施不完備是造成梁橋嚴重震害的重要因素。筆者從規(guī)范條文、分析技術、抗震措施3個方面對梁式橋抗震技術現(xiàn)狀進行了分析，并對未來梁式橋抗震技術的發(fā)展需求發(fā)表了個人見解。

[關鍵詞]：梁式橋; 橋梁抗震; 概念設計; 抗震措施

U442.5+5A

橋梁是交通運輸網(wǎng)絡的咽喉，在震后的緊急救援、災后恢復重建中具有極其重要的地位。梁橋作為重要的橋梁結構型式，在路網(wǎng)分布、震害規(guī)律中呈現(xiàn)3個特點：一是梁式橋分布量大面廣;據(jù)相關市場研究報告數(shù)據(jù)，梁式橋在各型橋梁中所占的比例約為85%，解決梁式橋的抗震安全性問題可以有效提高路網(wǎng)抗震安全性能。二是梁式橋地震響應顯著、震害規(guī)律統(tǒng)一;梁式橋自振特性與地震動卓越周期平臺段較為接近，致使地震破壞較為集中，且受主梁滑落（簡支梁）、固定墩彎曲破壞（連續(xù)梁）威脅顯著。三是梁式橋地震響應規(guī)律易于把控;相比纜索承重橋梁，梁式橋響應的顯著周期較為單一，有利于形成系統(tǒng)性、規(guī)律性的成果指導抗震防災設計水平的提升。綜上所述，梁式橋的抗震安全性問題是提升公路橋梁抗震能力的關鍵，進行梁式橋抗震技術現(xiàn)狀、需求及發(fā)展分析符合新形勢背景下的交通運輸發(fā)展需要。

1 梁式橋抗震技術現(xiàn)狀

結合抗震設計需要，本節(jié)從抗震規(guī)范體系、抗震分析技術、抗震措施3個層面對現(xiàn)有抗震技術水平進行了總結。

1.1 抗震規(guī)范體系

在“一帶一路”倡議和“交通強國”戰(zhàn)略的引領下，中國標準走向世界，世界標準融入中國是提升標準軟連通水平的重要舉措。目前國內標準和國際標準均對橋梁抗震設計提供了參考。

1.1.1 中國標準

在中國標準體系中，JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》、JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設計規(guī)范》和GB 50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》常被用以指導工程抗震設計，其中以前兩者使用最多。2本規(guī)范的抗震設計思路規(guī)定基本一致。在適用范圍層面，中國規(guī)范主要適用于單跨跨徑不超過150 m的混凝土梁橋、圬工或混凝土拱橋。對于斜拉橋、懸索橋、單跨跨徑超過150 m的特大跨徑梁橋和拱橋，規(guī)范中給出了抗震設計原則[1-2]。在設防標準層面，中國規(guī)范采用“兩階段設防，兩階段設計”的總體思路，將JTG 004-89《公路工程抗震設計規(guī)范》中的單一強度設計方法修改為強度、位移的雙重控制[3]。

1.1.2 美國規(guī)范

美國抗震規(guī)范體系主要包含：LRFD Guide Specifications for Seismic Deisgn、CALTRANS SEISMIC DESIGN CRITERIA和Guide Specifications for Seismic Isolation Design （FourthEdition），分別對常規(guī)抗震設計和減隔震抗震設計進行了規(guī)定。

上述規(guī)范適用于橋梁跨徑不超過150 m的普通橋梁（由常規(guī)的板、梁、桁架或箱梁上部結構建造的），抗震設計的基本原理為基于位移設計。按照設計地震周期為1s時的譜加速度值，將橋梁分為 A、B、C、D 4類;A類橋梁只需滿足最小支承長度、上下部結構間連接力的構造要求;B類橋梁除需滿足相應的構造要求外，還要進行需求分析、驗算及柱的剪切強度的設計;C類橋梁除需滿足相應的構造要求外，還需要在識別其抗震體系的基礎上進行需求分析，用規(guī)范給出的公式驗算能力，并用能力設計方法進行結構設計;D類橋梁除需滿足相應的構造要求和識別其抗震體系、進行需求分析外，還要用Pushover分析方法驗算能力，并用能力設計方法進行結構設計。對于C類和D類橋，美國規(guī)范提出了3種抗震體系：下部結構為延性、上部結構為彈性的抗震體系;上部結構為延性而下部結構為彈性的抗震體系（只適用于上部為鋼結構橋梁）;通過上下部結構間的減隔震系統(tǒng)來消能減震，從而上、下部結構都設計為彈性的抗震體系[4]。

1.1.3 歐洲規(guī)范

歐洲規(guī)范（EuroCode-8）適用于由橋臺或橋墩的彎曲能力來抵抗水平地震作用的橋梁，也適用于拱橋、斜拉橋等，對跨徑無限制，但不適用于懸索橋。

針對設計基準期內發(fā)生的地震，歐洲規(guī)范提出了兩水準抗震設防目標：不倒塌要求，這對應于設計地震;限制破壞要求，即當遭受10年內超越概率10%、重現(xiàn)期為95年的比設計地震出現(xiàn)概率更大的地震作用時，專門設計在設計地震下進行延性耗能的橋梁構件只能發(fā)生極小的破壞，橋梁的其他部位不發(fā)生損壞，不影響交通，并可以迅速地修復，這對應于橋梁設計基準期內發(fā)生高概率的地震。

歐洲規(guī)范為實現(xiàn)“不倒塌要求”給出了基于力和位移的兩種驗算方法。基于力的設計、可用于脆性結構和延性結構，采用線性方法分析結構地震反應;基于位移的設計只用于延性結構，根據(jù)“不倒塌要求”的設防水準直接進行非線性分析，以期得到結構非線性位移[5]。

1.2 抗震分析技術

科學、準確、高效的抗震分析方法是進行抗震設計的前提，抗震分析技術可大體分為地震響應計算方法和模型參數(shù)確定方法。

1.2.1 地震響應計算方法

橋梁地震響應計算方法總體可以分為靜力法和動力法，其中靜力法包含彈性靜力分析和非線性靜力分析;動力法包含反應譜法、功率譜法、時程分析法，時程分析法又可細分為彈性時程分析和非線性時程分析。

國內規(guī)范根據(jù)設防烈度、設防類別、不規(guī)則程度對橋梁結構的計算方法進行了規(guī)定。計算方法主要包含單振型反應譜/功率譜（SM）、多振型反應譜/功率譜（MM）和時程分析法（TH），但目前較為粗糙的分類方法存在安全隱患。理由闡述：

（1）單振型反應譜/功率譜（SM）的適用范圍有待修正;目前規(guī)范規(guī)定單陣型反應譜法主要適用于規(guī)則橋梁的E1、E2水準計算，但僅僅基于墩高標準的判別方式忽略了剛度的影響，且E1、E2條件下高階振型的參與程度存在差異，此判別方式的合理性有待進一步研究。

（2）多振型反應譜/功率譜（MM）的適用范圍有待修正;目前規(guī)范規(guī)定多振型反應譜法適用于非規(guī)則橋梁在不同水準、不同類別下的計算，但反應譜是否考慮“扭轉耦聯(lián)”效應缺乏判別依據(jù)。

（3）時程分析計算方法選擇標準有待明確;目前時程分析可以細分為等效彈性時程分析和非線性時程分析，2種分析方法的選用缺乏完善的選取標準。

（4）時程分析結果合理性缺乏判斷標準;時程分析結果的準確性與瑞麗阻尼選取密切相關，歐、美規(guī)范以及建筑抗震規(guī)范均強調了反應譜計算結構的重要性，時程分析只是反應譜方法的補充計算。當前規(guī)范中要求時程分析結果不應小于反應譜計算結果的80%，該表述在地震波選取、時程-反應譜吻合性的要求層面有待完善。

1.2.2 模型參數(shù)確定方法

目前規(guī)范對于抗震計算參數(shù)的確定包含：構件剛度取值、結構阻尼選取、邊界特性確定和樁土相互作用模擬。

1.2.2.1 構件剛度選取

主要解決了塑性鉸區(qū)等效剛度值、開裂剛度取值的問題：

（1）對于塑性鉸區(qū)剛度取值問題，通過建立截面纖維模型，通過截面等效屈服彎矩和等效屈服曲率確定該狀態(tài)下截面的等效彈性抗彎剛度，進而利用彈性模型評估延性設計位移響應。

（2）對于開裂剛度取值問題，主要針對E2水準下限制局部輕微損傷的橋梁（A類橋）考慮混凝土開裂導致的結構剛度退化。

1.2.2.2 結構阻尼選取

目前推薦混凝土結構、組合結構的阻尼比為0.05，鋼結構的阻尼比為0.03;進行時程分析時，建議選取瑞利阻尼進行計算。但目前的阻尼選取辦法沒有考慮延性設計中結構阻尼增大的問題。

1.2.2.3 邊界特性確定

主要包含支座特性模擬和相鄰結構模擬2個方面的內容：

（1）對于支座模擬，抗震規(guī)范中給出了板式橡膠支座、盆式支座的力學本構，明確了本構參數(shù)取值的方法。

（2）對于支座邊界特性的模擬，當前抗震規(guī)范中僅僅給出了概念設計條文，要求考慮相鄰結構和邊界條件的影響，但對于橋跨間或橋跨與橋臺間伸縮縫的拉伸、碰撞、間隙的模擬缺少規(guī)定。

1.2.2.4 樁土相互作用模擬

目前樁土相互作用問題是抗震設計的難點，主要包含土體力學特性和模擬方法的問題：

（1）對于土體力學特性;國內規(guī)范采用“m法”將土體的剛度特性轉化為彈簧本構，為體現(xiàn)動力作用下土體參數(shù)與靜力計算的差異，將m值考慮方法2～3倍;美國、日本相關規(guī)范主要通過P-Y曲線法考慮土體力學參數(shù)的非線性特征。

（2）對于樁土作用模擬，國內主要適用的方法包含集中質量模型、等效嵌固模型和承臺底六彈簧模型，上述模型均對土層進行了不同程度的簡化處理，誤差較大;日本規(guī)范則強調對于難以轉換為彈簧模擬的情形，建立三維場地分析模型實現(xiàn)地基的整體模型化表征。

1.3 抗震措施

目前抗震措施主要包含：墩梁搭接長度、縱向防落梁裝置、橫向擋塊與錨栓設置的相關要求，以上3項內容共同構建的防落梁保障體系是梁橋抗震安全的重點，是保障震后線路通行、救災行動的關鍵。汶川地震中的廟子坪大橋、青?，敹嗟卣鹬械囊榜R灘大橋的震害均表明規(guī)范抗震措施的相關規(guī)定有待進一步完善。

1.3.1 墩梁搭接長度

國內規(guī)范主要參考AASHTO規(guī)范和日本規(guī)范的經(jīng)驗，考慮了墩高、梁長的影響因素。相比前期08細則和89抗震設計規(guī)范而言，新版規(guī)定雖然在一定程度上降低了落梁風險，但由于地震發(fā)生的不確定性，僅憑借搭接長度的規(guī)定難以避免梁體滑落的風險。

1.3.2 防落梁裝置

美國AASHTO規(guī)范和日本規(guī)范給出了連梁裝置的設計方法，基于上部結構質量和地震動加速度提出了連梁裝置的地震效應設計值;國內規(guī)范目前對于連梁裝置的設計停留在概念層面，缺乏具體設計方法和系列產(chǎn)品規(guī)范的引導，可實施性有待提升。

1.3.3 擋塊構造

美國CALTRANS、AASHTO規(guī)范針對擋塊設計提出了“犧牲耗能”的設計理念，即發(fā)揮“保險絲”作用實現(xiàn)“有限限位，重點保護”的目標;國內規(guī)范目前對于擋塊設計也僅停留在概念層面，對于地震響應設計值確定、擋塊合理構造、擋塊承載力設計方法、擋塊位移容許值確定均缺少相關規(guī)定。

2 梁式橋抗震技術需求

2.1 地震震害分析

結合汶川、瑪多地震的震害調研結果，開展對梁橋震害致因理論的剖析工作，事故致因主要包含3點內容：

2.1.1 對于地震的認知水平有限

地震發(fā)生具有較大的隨機性與不確定性。低烈度區(qū)可能發(fā)大地震甚至特大地震，例如我國唐山按6度設防（0.05g），震中達11度（0.90g）;汶川按7度設防（0.10g），震中達11度（0.90g），青海玉樹按7度設防，震中接近11度（0.80g）。實際震害等級與設防水準的差異造成了橋梁震損的潛在風險，其中2021年5月22日在青海省果洛州瑪多縣發(fā)生的7.4級地震，相比設防考慮的Ⅵ度地震作用超出了設計界限，一定程度上導致了野馬灘大橋的落梁（圖1）。

2.1.2 部分橋梁概念計理念的欠缺

概念設計設計橋梁橋位、橋型、方案的選擇，合理的概念設計抗震安全性能的基礎。例如汶川地震已經(jīng)證明，對于基巖且十分穩(wěn)的拱橋即便處于極震區(qū)依然具備良好的抗震性能;但對于場地條件差時，拱橋可能發(fā)生嚴重破壞甚至倒塌。例如，位于極震區(qū)的“金花大橋”由于地基情況較好，在震后幾乎沒有發(fā)生任何損傷;相比之下的“小魚洞大橋”由于基礎發(fā)生變形、移位，發(fā)生了倒塌（圖2）。

2.1.3 對于局部構件和構造措施缺乏重視

目前科學發(fā)展對于地震的認知尚不完備，進行必要的抗震措施設計，提升局部構件設計水準可以避免嚴重震害發(fā)生。例如當前公路橋梁的擋塊設計缺少具體方法，更多依賴從業(yè)人員對于結構設計的認知和理解，從而導致?lián)鯄K設計質量差異巨大。2021年5月22日在青?，敹喟l(fā)生的震害表明，公路橋梁的橫向擋塊的地震作用下破壞嚴重，致使主梁在橫向也發(fā)生了明顯移位，該程度的主梁橫向移位已經(jīng)不能保障震后救援等應急通行的需要。除此之外，主梁防落梁措施也是亟需補充的重點內容，汶川地震中的廟子坪大橋引橋、青?，敹嗟卣鹬械囊榜R灘大橋均發(fā)生了多跨主梁的掉落震害。

2.2 抗震技術需求

基于上述現(xiàn)狀分析，提出抗震分析方法、抗震措施方面的技術進步需求。

2.2.1 抗震分析方法

為實現(xiàn)科學、準確、高效地進行抗震計算，完善抗震分析主要包含3方面的內容：

2.2.1.1 計算方法的合理選擇

需要完善抗震計算方法細化要求。主要體現(xiàn)在2個方面：

（1）與結構類型有關，橋梁、隧道、擋墻需要使用的分析方法差異明顯;其中橋梁主要采用單振型反應譜、多陣型反應譜、時程分析法;隧道結構可以采用反應位移法;支擋結構和路基穩(wěn)定性則主要采用靜力法。

（2）與結構復雜和不規(guī)則程度有關，補充計算分析的細化要求具有必要性;例如對于橋梁結構采用單振型反應譜、多振型反應譜、功率譜、時程分析進行計算，但是橋梁結構響應的計算方法仍然過于粗糙，例如通常用于理論計算的單振型反應譜法中，結構二階效應（P-△）、反映構件初始缺陷（P-δ）的考慮方式不完善;多振型反應譜計算中是考慮扭轉耦聯(lián)的評判依據(jù)缺乏規(guī)定;彈性時程分析和非線性時程分析的使用界限迷糊的問題都有待進一步解決。

2.2.1.2 計算參數(shù)的準確模擬

需要完善特性參數(shù)計算要求。主要體現(xiàn)在3個方面：

（1）正確反映結果的剛度特性;對于使用反應譜法、彈性時程分析法計算的結構響應需要考慮不同設防水準條件下的剛度特性變化。

（2）準確模擬結構質量;對于結構質量參與系數(shù)、行波效應下“大質量法”中的質量取值予以補充完善。

（3）正確體現(xiàn)結構阻尼;包含：在彈性計算時，基于等效線彈性計算方法需要考慮結構塑形開展帶來的阻尼參數(shù)變化;在時程計算時，瑞利阻尼的選取依據(jù)。

2.2.1.3 “結構-土體”邊界作用模擬

主要體現(xiàn)在3個方面：

（1）完善樁土相互作用模擬方法;目前使用的m法難以準確模擬樁基地震響應，開展p-y曲線法和三維場地精確分析的必要性研究，對樁土精確模擬予以完善。

（2）橋梁邊跨邊界條件的準確模擬;目前邊跨-橋臺相互作用模擬基于“橋臺剛體架設”開展，由于沒有考慮臺后土效應致使分析結果偏差較大，故建議開展考慮臺背填土影響的橋臺建模方法研究。

（3）考慮水流沖刷影響的結構響應;目前水中橋梁抗震設計缺乏沖刷專題的支撐，沖刷效應會導致樁基約束變弱，地震響應增加的不利影響。

2.2.2 抗震措施

可靠的抗震措施是保障橋梁結構抗震防災安全的最后屏障。基于汶川、瑪多地震中梁橋落梁震害啟示，建議完善防落梁系統(tǒng)設計。主要包含2個方面內容：

2.2.2.1 擋塊抗震設計方法

主要解決4個方面的技術需要：

（1）開展抗震擋塊損傷機理研究，明確擋塊破壞原因，解決擋塊破壞模式復雜無序的技術難題。

（2）開展抗震擋塊合理構造研究，明確擋塊設計的合理構造方式，形成擋塊合理結構設計方案。

（3）開展擋塊設計方法研究，明確擋塊的承載力設計表述，形成具有實際指導意義的抗震設計方法。

（4）開展擋塊抗震性能設計研究，明確擋塊設計合理性能要求。

2.2.2.2 防落梁裝置設計方法

主要解決2個方面的技術需要：

（1）開展連梁裝置效應設計值研究，明確連梁裝置設計參數(shù)。

（2）開展連梁裝置合理構造研究，保障基于“能力保護設計原則”的安全適用。

3 結束語

抗震防災作為制約交通建設發(fā)展的重要內容，攻克現(xiàn)有制約因素有助于提升交通基礎設施建設的整體水平。

（1）完善抗震分析技術方法，提升抗震防災技術水平。完善抗震技術體系，解決分析方法標準界限不清、計算模型分析參數(shù)不完善，提升抗震分析理論技術水平;補齊抗震分析技術短板，攻克“結構-邊界”“樁基-土層”模擬質量低劣的技術難題，實現(xiàn)樁土、橋臺邊界的合理模擬;融入結構全壽命抗震設計理念，考慮服役過程中可能造成動力特性和邊界條件改變情況，提出考慮橋位沖刷、場地液化的抗震設計方法。

（2）構建主梁防落保障體系，保障防災救援通道暢通。研究梁式橋梁連梁裝置設計方法，解決規(guī)范層面可實施性差、理論層面設計依據(jù)缺失的問題，有效指導連梁裝置限制縱橋向的墩梁過大位移，避免超限地震引起的落梁問題，保障抗震救援通道的有序暢通;攻克擋塊設計難題，解決擋塊設計無據(jù)可依、經(jīng)驗設計的行業(yè)現(xiàn)狀，實現(xiàn)橫向地震激勵下?lián)鯄K的“保險絲”作用，實現(xiàn)“有限損傷，位移控制”的目標。

參考文獻

[1] 鮑衛(wèi)剛. 《公路工程抗震規(guī)范》釋義手冊[M]. 北京：人民交通出版社， 2014.

[2] 唐光武， 鄭萬山， 劉海明. JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規(guī)范》修訂簡介[J]. 公路交通技術， 2021， 37（6）：5.

[3] 交通部公路規(guī)范設計院. 公路工程抗震設計規(guī)范： JTG004-89 [M]. 北京： 人民交通出版社， 1990.