桥梁抗震研究进展

桥梁抗震研究进展

摘要:历史上，San Fernando地震、唐山大地震、Loma Prieta地震、阪神地震、集集地震等破坏性地震都使得交通系统严重毁坏，地震对交通造成的影响也直接影响着救灾工作的进行，扩大了次生灾害损失，使人们的生命财产都造成了不可忽略的损失。近30年来，地震灾害的沉痛教训不断警示着人们，使人们逐渐对桥梁的抗震研究逐渐受到重视，桥梁抗震理论水平日渐提高。本文简要叙述了桥梁抗震的历史发展和现行桥梁抗震设计研究的一些主要方法，并展望了今后桥梁抗震研究的发展方向。

关键词：桥梁抗震；历史；现状；展望；研究方法；设计理论

1 桥梁抗震研究的历史发展

相对于地震的发生历史，人类对地震的认识和研究历史很短，直到上世纪20年代地震才引起人们的重视，而且各个国家由于各方面的原因（地震发生的概率不同或经济条件差距大等）对地震的认识研究进展情况也不一样。

1.1 国外桥梁抗震的研究进展

日本学者大房森吉[1]早在1899年就提出工程结构抗震设计的概念，但是由于当时人们对地震的认识不够深，没有引起重视。直到1923年日本关东大地震后最初的抗震设计理论才得到应有的重视，日本抗震工作者和工程师们在关东大地震发生一年后将震度法理论（1916年由日本学者佐野利器提出）应用到日本最早的桥梁抗震设计规范中，这也标志着最早的桥梁抗震设计方法——弹性静力法正式被应用到桥梁的结构设计中。由于静力法忽略了结构的动力特性，在实际应用中存在很大的局限性，只能近似应用于一些变形很小的能等效为刚体的构件设计中，对于一些高耸的柔性构件则偏差太大，于是人们开始意识到研究地震动特性对合理的抗震设计方法的重要性。美国20世纪30年代就开始大量收集地震波的记录资料，这为基于动力学的地震反应分析理论——反应谱法奠定了基础。

到了20世纪40年代，M.A.Biot和G.W.Housner[1]相继提出了反应谱的概念和基于加速度的反应谱法，在之后的1956年N.M.Newmark将该方法成功应用于建筑结构抗震设计中[2]，并经受了墨西哥大地震的考验。自1958年的第一届世界地震工程会议后反应谱法就被许多国家所接受并逐渐应用于结构抗震设计规范中。这也标志着桥梁抗震设计的动力法——反应谱法开始在桥梁结构抗震设计中得到应用。发生在1964年日本的新泻地震使人们开始对砂土液化现象有了深刻的认识，引起机构工程师们在结构抗震设计时对场地选择的重视。20世纪60年代有人提出了弹塑性静力分析方法——pushover分

析法[3]，由于该方法需要借助计算机程序完成整个分析过程，而且只能作为一种简化的结构抗震性能的评估方法，因此在经济和技术相对落后的当时并没有被重视。‘直到20世纪90年代美国学者提出基于性能的抗震设计思想后pushover分析方法又成为了结构抗震设计的研究热点。

在20世纪60~70年代，随着计算机的出现，人们开始研究新的动力分析方法——动态时程分析法。时程分析法能精确地考虑到各种非线性因素的影响以及结构和地震的动力特性，因此计算精度相对较高，但是如果考虑非线性因素，则分析计算时会耗费工程师大量的求解时间，而且计算量很大，因此对于一些规则桥梁目前主要使用弹性动力时程分析法进行计算。1971年发生在美国的San Fernando地震就是现代桥梁构抗震技术研究的一个转折点，在这次地震后经过近十年的研究，美国出版第一本专门用于指导桥梁抗震设计的《桥梁抗震设计指南》，并经过十年的应用和修改于1992年纳入美国的AASHTO规范即美国《公路桥梁标准规范》[4]，生命工程的概念也是在这次地震后提出的，同时结构的延性开始引起了人们的注意，尤其是在经历了1989年美国的Loma Prieta 地震和1994年美国的Northridge 地震以及1995年日本阪神地震后，针对地震中桥梁墩柱大量被破坏的现象，工程师们及相关研究人员进行了大量的关于桥梁墩柱抗震设计方面的研究。

Priestley等人[5]在1989年Loma Prieta地震后做了大量的钢筋混凝土墩柱模型试验，研究了强震作用下钢筋混凝土构件的延性对塑性绞区的抗剪能力的影响，并提出了相关的抗剪公式。在试验的基础上Priestley等人[6]还提出了延性抗震设计时塑性绞区配箍量的验算和节点强度的设计等关键问题。

Kenneth等人针对地震中桥墩的弯剪破坏进行了试验研究，并提出了相应的分析计算模型。Ang等人根究ATC提出的抗剪能力概念模型做了桥墩在反复荷载作用下的试验研究，主要研究剪跨比、轴压比和配筋率等对桥墩抗剪能力的影响，并提出了相应的抗剪能力计算公式，包括初始抗剪能力计算公式和塑性绞区的抗剪能力计算公式。

1.2 国内桥梁抗震的研究进展

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[7]。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。

这次地震后的第二年我国制定了《公路工程抗震设计规范》，经过不断修改后于1989年正式颁布89规范，即《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004-89）。[8]由于受当时经济技术条件的限制，我国对桥梁抗震方面的设计研究较少，因此该规范相对同时期的美日发

达国家的桥梁抗震规范比较粗糙，很多条文规定不明确，对设计的指导性较差，因此在设计时许多时候需要参考国外的相应规范。

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。

在近十年，由于我国经济建设的突飞猛进地增长，大规模地基础建设促使公路桥梁发展迅速。于是，在2008年汶川地震以后，我国对桥梁的抗震设计更加重视，尤其是对延性抗震设计理论的研究更加深入，与《89规范》相比，《08规范》对桥梁的抗震设计指导性更强。随着城市高架桥的增加，而从历次大地震中的数据分析可知，很多桥梁的桥墩是由于桥梁墩柱的滞回延性太差而非强度不够而发生破坏，这就也引起了许多国内桥梁专家学者对桥梁抗震的进一步研究和思考[9]。

2 现行桥梁抗震研究的主要方法

2.1 静力法

早期结构抗震计算采用的是静力理论，1900年日本大房森吉提出静力法的概念，它假设结构物各个部分与地震动具有相同的振动。此时，结构物上只作用着地面运动加速度乘以结构物质量所产生的惯性力。即忽略地面运动特性与结构的动力特性因素，简单地把结构在地震时的动力反应看作是静止的地震惯性力（作为地震荷载）作用下结构的内力分析[10]。1915年，佐野提出震度法，即根据静力法的概念提出以结构的10%的重量作为水平地震荷载，于1923年关东大地震后的次年建立了最早的桥梁下部结构工程的抗震分析方法。从动力学的角度分析，把地震加速度看作是结构破坏的单一因素有极大的局限性，因为它忽略了结构的动力特性这一重要因素。只有当结构物的基本固有周期比地面卓越周期小很多时，结构物在地震振动时才可能几乎不产生变形而被当作刚体，静力法才能成立。

2.2 时程分析法

时程分析可以进行有线弹性材料行为、非线性材料滞回特征、几何非线性效应的模型分析。但是，除了二维或三维空间坐标，必须考虑一个附加的时间坐标。

对桥梁模型进行地震时程分析，有三种可用的分析方法：①时域内的逐步积分，②时域内的标准振型时程的叠加；③频域反应的计算变换到时域内叠加。因为对于一个特定的地震地面运动，线弹性时程反应分析得到的设计信息总量很少，因此方法②和③在总体形式上因依赖于叠加原理而受到限制。进行时程分析可以得到数值上较为精确的分析结果，但是存在着在一些参数难以确定的问题，因而本质仍然比较模糊。其他问题如：输入地震动；简化结构分析模型是否与实际相符；结构-基础-土相互作用问题；结构构件的非线性动力特性和屈服后的行为；数值积分的精度及稳定性等都有待于解决时程分