桥梁抗震研究进展分析

吴志敏 莫昭莉 欧阳常伟

摘要：桥梁抗震理论和技术的研究成果，决定着桥梁抗震设计理论未来的发展方向。文章针对第十六届世界工程大会关于桥梁抗震方面的研究进行总结分析，主要涉及了桥墩碰撞和接触问题、桥梁地震反应分析、桥梁耗能方法研究、大跨度桥梁抗震设计、基于地震可恢复性桥梁减震措施等方面的研究成果。

关键词：桥梁抗震;研究进展;震后可恢复体系

The research results of bridge seismic theory and technology determine the future development direction of bridge seismic design theory.This article summarizes and analyzes the research on bridge seismic resistance in 16th World Engineering Congress，mainly involving the research results on bridge pier collision and contact problems，bridge seismic response analysis，bridge energyconsumption method research，seismic design of largespan bridges，and bridge damping measures based on seismic recoverability etc.

Bridge seismic;Research progress;Recoverable system after earthquake

0 引言

2017-01-09至2017-01-13，由世界地震工程协会主办的第十六届世界工程大会在智利圣地亚哥顺利举行，相关国际会议组织官员、专家和学者共计2 493人参加。此次大会共有5个主题报告、2个辩论专题、4个特邀报告以及3个特别纪念专题。本届会议收录论文2 130篇，反映了当今世界在地震工程领域最前沿的研究成果。“可恢复性，地震工程的新挑战”（Resilience，the new challenge in earthquake engineering）的口号形象地突出了此次大会的可恢复性的抗震理念。

1 特邀报告桥梁抗震方面内容

1.1 大跨度桥梁健康监测研究

来自于加拿大哥伦比亚大学的Venturaa C.E.教授的学术报告“Realtime Damage Assessment”[1]，阐述了结构地震监测和损伤检测的研究状况。在报告中，他持续监测了加州20世纪70年代的一座桥梁的周期变化，了解结构健康状况的变化情况。同时，为了研究判断有无损伤和损伤定位的方法，他测试了RC简支梁Dogna Bridge在完好状态和人为损伤状态下的振动测试。大跨度桥梁在地震作用下的表现一直是学者关注的重点，同时也是健康监测的主要对象。在报告中，Venturaa C.E.教授列举了很多实际案例：美国Celebi M.[2]等采集了Caroquinez悬索桥2014年地震时的加速信号，分析出该桥的阻尼和频率，并与正常状态下进行对比分析，讨论了此悬索桥的振动特性;日本学术者Fujino Y.等[3]讨论分析了大跨度斜拉橋横滨大桥多年的地震监测结果得来的经验;Lau D.T.等[4]研究人员通过对Confederation大桥进行长达数十年的健康监测，改进了计算模型，完善了监测平台。

1.2 基于地震可恢复减震措施研究

意大利国家新能源研究中心的Clemente P.[5]在报告中对全世界的隔震和耗能装置在实践中的应用进行了总结，全世界已经有超过30个国家采用了隔震或者耗能系统。在这些国家当中，日本在桥梁施工中所采用的减震装置大多是高阻尼橡胶支座，其实际应用在桥梁抗震减震工程中的案例最多。中国在2013年采用橡胶支座的桥梁已经达到了400座，采用耗能装置的桥梁已达到200座;美国已经有1 000座桥梁安装了高阻尼橡胶支座;同样，俄罗斯超过100座桥梁采用隔震装置。

1.3 大跨度桥梁抗震设计

中国同济大学李建中教授的报告[6]，详细介绍了中国在大跨度桥梁方面（悬索桥、斜拉桥、拱桥）的研究现状，并且全面阐述了地震设计方法、减震措施等方面的内容。在其分析过程中将构件分为两部分：第一部分为关键构件（key component），如主塔、基础等;第二部分为次要构件（nonkey component），如支座、伸缩装置等。根据可检测性（inspectability）、可替换性（replaceability）和可维修性（retrofitability）三个方面确定设计水平的性态目标，为抗震设计提供基础。同时李建中教授介绍了同济大学多功能振动台进行多项桥梁试验性研究的情况。

2 专题报告关于桥梁抗震方面研究

桥梁抗震专题报告主要包括以下几个方面：（1）桥塔抗震性能;（2）桥梁地震反应分析;（3）易损性分析;（4）碰撞与接触;（5）桥梁振动测试;（6）隔震设计和减震装置;（7）地震动的选取和合成;（8）其他。各研究所占比例如图1所示。

2.1 桥墩抗震性能研究

桥墩抗震研究方面包括了普通桥墩抗震性能、ABC桥墩抗震性能、桥墩加固后抗震性能、桥墩易损性分析、桥塔抗震分析等。各研究所占比例如图2所示。

普通桥墩抗震性能研究是通过数值模拟和试验以完善地震作用下的延性设计桥墩的本构关系。主要是基于拉力偏移影响的单元改进方法，研究低周疲劳、损伤累计、钢筋屈服、扭矩、主筋截断等因素影响下，空心矩形墩、桥墩与扩大基础的连接。Lara O.[7]将两个普通混凝土墩柱放在振动进行试验，模拟地震荷载

作用下的损伤情况，并提出考虑损伤累计和低周疲劳共同作用下的桥墩本构模型。

ABC桥墩国内俗称预制节段拼装桥墩，其抗震性能在国内研究甚多。之所以成为热点方向，与以下两个原因密不可分：（1）在桥梁建设中，对于城市化桥梁建设，使用节段预制拼接技术不仅可以节约时间，减少环境污染，而且可以很好地提高建筑质量，减少寿命周期成本，完全符合国家对装配式建筑推广的要求;（2）预制拼装桥墩连接方式较好，可以成为摇摆墩，成为地损伤构件，符合可恢复性设计理念。ABC桥墩根据连接方式的不同分为高损伤ABC桥墩和低损伤ABC桥墩。高损伤ABC桥墩是通过灌浆管或插座式连接形成的桥墩，其形式与整体浇筑相近，抗震性能接近整体浇筑桥墩，容易形成塑性铰;低损伤ABC桥墩是通过无粘结后张预应力筋或者耗能器组成的混合连接结构。在地震作用下，地震能量被耗能器所消耗，不会对桥墩造成损伤。对于高损伤或者低损伤ABC桥墩，学者Masal M.和Palermo A.[8]对这两类桥墩进行拟静力试验分析，从而验证了ABC桥墩的抗震特点。

高损伤ABC桥墩研究主要是针对不同连接措施的抗震性能影响进行的。Li C.等[9]以整体浇筑墩为参考对比，对墩底固结的4个无黏结后张预应力混凝土节段拼装墩进行反复荷载试验。试验表明：耗能钢筋虽然可以提高节段拼装墩的耗能能力，但同时会产生较大的位移;剪力键可以阻止节段间产生滑移，但其会产生应力集中，造成局部出现损伤现象。AlJelawy H.等[10]对灌浆拼装连接方式进行了改进，使塑性铰位置移至灌浆管上方，确保延性，并通过拟静力试验进行分析验证，解决了灌浆拼装连接而导致的连接铰变形，进而减少位移延性、造成墩永久失效的问题。

低损伤桥墩研究主要是针对桥墩本身与承台连接方式的不同对摇摆桥墩抗震性能的影响进行的。摇摆墩和其他构件相互作用，这种思路是新西兰学者Palermo A.[11]提出的。两种构件之间通过无粘结预应力来保证其自复位功能，通过在摇摆面中加入钢阻尼等耗能装置来增大抵抗弯矩和阻尼，进行了拟静力试验，分析得出桥梁摇摆墩和其他构件的相互影响。MSDSC和MCT两种滞回模型是在分析耗能钢筋的自复位桥墩时常常采用的两种模型。台湾科技大学的研究学者Ou Yu-Chen等[12]运用这两种模型进行计算，对比分析了等效黏滞阻尼计算最大位移时所需要的重要参数，从MCT模型中得出的阻尼比MSDSC模型得出的要高很多。学者Guerrini G.等[13]对双柱式钢管混凝土

自复位桥墩进行研究，通过试验和数值模拟，并与传统桥墩进行对比分析，发现自复位桥墩有很多传统桥墩所没有的优点：低损伤、维修费用低、对周围影响较小等。Chegini Z.和Palermo A.等[14]在桥梁上部结构运用混合摇摆低损伤连接技术，进行缩尺拟静力试验，分析了在此技术的运用下桥梁的抗震性能。

研究学者对桥墩加固后的抗震性能也做了进一步的研究。Jung D.和Andrawes B.[15]对桥墩进行加固时采用记忆合金材料，并通过振动台试验对加固后的桥墩进行抗震性能研究。除利用记忆合金外，UHPFRC材料也是桥墩加固的优选材料。对后张法预制拼装桥墩的损伤则可利用灌浆拼装套筒、CFRP等修复后进行抗震性能试验研究。

2.2 地震保护装置研究

地震保护装置是在地震作用下有效保护建筑物的方式之一，同时也是桥梁抗震研究的重点之一。研究范围主要包括减震装置、隔震装置、伸缩装置、防落梁装置以及隔震橋设计方法等，各种方法所占的研究比例如图3所示。研究方法主要采用拟静力试验和数值模拟相结合的方式。

[PSA13.EPS，BP][TS（][HT5"H][JZ]图3 桥梁保护装置研究方向比例图[TS）]

减震装置主要有防屈曲支撑BRB、自复位耗能器SCED、预应力弹簧阻尼等。Wei等[16]设计出两类BRB，通过试验研究其力-位移关系。虽然我国已有一部分桥梁正在使用此类装置，但其作为一种新型减震装置BRB，在水平双向作用下考虑地震作用是之前经常考虑顺桥向约束时所没有的，对于BRB的认识将是一个很大突破。Cheng X.等[17]通过数值模拟方法对自复位耗能器SCED在地震反应的效果进行分析。Ben Hamadi B.等[18]研究了弹簧阻尼器在铁道桥梁中的实际应用情况。

隔震装置方面主要研究包括隔震支座和普通橡胶支座的震害机理、橡胶支座和新型支座抗震性能等研究。Fujita R.等[19]对2011年日本大地震中隔震支座发生撕裂破坏的情况进行数值模拟，分析其震害机理。

防落装置研究主要通过拟静力试验或振动台试验，对挡块和防落梁钢棒分析得到其本构关系。Luder C.和Criado M.[20]对桥梁的防落梁钢棒本构关系和设计方法进行了研究。

隔震桥设计方法主要是考虑隔震桥地震力简化计算和变形设计方法研究，其研究方法主要采用理论分析的方式。

3 结语

本文针对第十六届世界工程大会关于桥梁抗震方面的研究进行总结和介绍。桥梁抗震研究的未来发展趋势必定会与地震工程局所倡导的地震设计理念所同步。从大会的内容来看，减震装置和桥墩自复位体系的研究将是当代桥梁抗震的研究热点，将两者有机地结合起来，进行优化设计，或许会产生更好的效果。

参考文献：

[1]Ventura C E. Advances on monitoring and damage detection in earthake engineering [C].16WCEE. Santiago，2017，Keynote.

[2]Celebi M，Ghahari S F，Taciroglu E. Responses of the califomia suspension bridge during M 6.0 South NAPA Earthquake of August 24，2014[C].16WCEE.Santiago，2017.

[3]Siringoringo D M ，Fujino Y. Over twenty yearsseismic monitoring experience of cablestayed bridge：lessonslearned on structuralassessments [C].16WCEE.Santiago，2017.

[4]Lau D T，Desjardins S，Tehranian A，et al. Dynamic structural health monitoring of confederation bridge：lessons learned，challenges and future directions [C].16WCEE.Santiago，2017.

[5]Clemente P，Martelli A. Antiseismic systems：worldwide application and conditions for their correct use [C].16WCEE.Santiago，2017.

[6]Li J Z. Recent advances in seismic design for long span bridge in China[C].16WCEE.Santiago，2017.

[7]Lara O，Toro D，Ventura C.Designing for damage accumulation and low cyclic fatigue in reinforced concrete bridge columns[C].16WCEE.Santigo，Santiago，2017.

[8]Mashal M，Palermo A.Experimental testing of emulative and posttensioned earthquake damage resistant technologies for accelerated bridge construction[C].16WCEE.Santiago，2017.

[9]Li C，Hao H，Zhang X.Cyclic tests of precast segmental concrete columns with unbonded posttensioned tendons[C].16WCEE.Santiago，2017.

[10]A1Jelawy H，Haber Z，Mackie K.Grouted splice precast column connections with shifted plastic hinging [C].16WCEE，Santiago，2017.

[11]Liu R，Palermo A.Quasistatic testing of a 1/3 scale precast concrete bride utilising a posttensioned dissipative controlled rocking pier[C].16WCEE.Santiago，2017.

[12]Ou Y C，Yuniati Pratiwi A，Bu Z Y，et al.Equivalent viscous damping for selfcentering precast concrete segmental bridge columns[C].16WCEE.Santiago，2017.

[13]Guerini G，Restrepo J I，Schoettler M J.Selfcentering，lowdamage，precast posttensioned columns for accelerated bridge construction in seismic regions[C].16WCEE.Santiag，2017.

[14]Chegini Z，Palermo A.Quasistatic testing of a largescale bridge with dissipative controlled rocking connections in the superstructure[C].16WCEE.Santiago，2017.

[15]Jung D，Andrawes B.Dyngmic testing on circular rc bridge columns retrofitted and repaired with shape memory alloys[C].16WCEE.Santiago，2017.

[16]Wei，Bruneau M.Experimental performance of buckling restrained braces subjected to bidirectional displacement histories[C].16WCEE.Santiago，2017.

[17]Cheng X，Erochko J，Lau D T.Improving the seismic performance of existing bridge structures using selfcentering dampers[C].16WCEE.Santiago，2017.

[18]Ben Hamadi B，BuchinRoulie V，Grandi A，et al.Railway bridge seismic protection with the isosism range[C].16WCEE.Santiago，2017.

[19]Fujita R，Sadamatsu M，Takahashi Y.Analysis on damage of the existing seismic isolation bride due to the 2011 great east japan earthquake[C].16WCEE.Santiago，2017.

[20]I.uders C，Criado M.A new design philosophy of seismic anchor elements for bridges[C].16WCEE.Santiago，2017.