前沿拓展：

地震是各種自然災害包括洪澇災害、風災、地質災害中最難預防、導致生命財產損失最大的災害，為群災之首，嚴重危害人民生命安全與社會穩定。隨著經濟社會發展水平的提高，迫切需要突破傳統抗震體系存在的安全隱患，發展先進有效的橋梁地震安全保護體系。

傳統抗震體系及其安全隱患

隨著傳統抗震體系在工程中的廣泛應用以及歷次地震震害調查結果的積累，其存在的不足及安全隱患逐漸顯現。概括起來，傳統抗震體系存在的安全隱患主要體現在以下三個方面。

第一，目前人類對地球科學、地震工程尚存在諸多認知局限，導致地震難以預測、地震烈度難以準確確定，地震造成的大災難往往發生在設防不足的低烈度區域。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），等等，設防烈度與實際烈度的地面震動加速度相差普遍達到了10～20倍。另外，受各種因素制約，我國現有設防烈度依然偏低，如公路橋梁的設計加速度峰值多在0.05-0.2g之間，而日本、智利為0.3g，土耳其0.2g-0.4g，伊朗0.35g。這既與我國國土100%為地震區域、罕遇大地震頻發的客觀因素不符，也與我國經濟社會進入工業化中后期的發展階段不相適應。

第二，在傳統抗震體系下，相當一部分橋梁的結構自振周期在1～2s的范圍內，與地面運動周期0.5～1.5s重疊區域較大，橋梁與地面運動容易發生共振現象（圖1），導致橋梁地震反應常常被放大2-4倍，易產生橋墩破壞、倒塌等難以修復的震害。此外，傳統支座的變形能力普遍較差，沒有消耗地震能量輸入的能力，支座與防止梁體掉落的構造措施協同性也不夠，易發生落梁。

圖1

第三，傳統抗震體系采用增大橋墩斷面、增大剛度等“硬抗”的技術路線，其結果是結構剛度越大、結構地震作用也越大，在設計時容易陷入非良性循環,導致橋梁造價高10%～40%，而橋梁仍難以抵抗超大地震的沖擊。傳統抗震設計雖然允許橋墩產生延性損壞,但由于地震輸入的不確定性及橋梁結構動力行為的復雜性,罕遇地震時塑性鉸并不一定出現在設計部位,常導致結構嚴重受損甚至倒塌(圖2)。

圖2

進入80年代，人們從歷次震害中逐漸認識到傳統抗震體系的局限與不足，興起了結構隔震、減震與振動控制技術的研究與實踐，這是過去40年來地震工程最重要的創新成果之一。這項技術是通過調整動力參數以大幅度降低結構的動力反應，從而成倍提高橋梁結構的耐震安全度。

橋梁結構隔震體系

橋梁結構隔震體系的基本思想是“以柔克剛”，其本質是通過設置隔震裝置，將結構自震周期從1～2s的范圍延長至3～5s，從而隔離地震作用，同時設置防落梁的消能限位裝置，避免特大地震作用下落梁。隔震體系主要適用于中小跨徑簡支梁及連續梁橋，常用的隔震裝置主要有疊層橡膠支座、摩擦擺支座、高阻尼橡膠支座等，以取代傳統的板式橡膠支座、盆式橡膠支座或球形鋼支座，具有構造簡單、耗能能力強、施工維護方便等特點。

大量試驗研究與理論分析表明：傳統抗震體系水平剛度大，結構基頻與地震動能量輸入的主頻率之比一般在0.8～1.5倍，地震動放大系數在2～4倍；隔震結構因其水平剛度小、周期大幅度延長，基頻與地震動頻率之比一般在2～8倍，地震動放大系數在1/2～1/8；理論分析揭示隔震橋梁地震響應最大可削減至隔震前的1/4～1/12，試驗反映其地震響應最大可削減至隔震前的1/8～1/9。

從我國工程實踐結果來看，在7度情況下，隔震橋梁造價較傳統橋梁高約2%～4%，而在8、9度及以上，隔震橋梁相對于抗震橋梁，造價降幅高達10%～40%。因而，在面對地震烈度存在極大不確定性時，橋梁結構隔震體系不僅更為安全合理，且更經濟有效。因此，隔震橋梁在世界各國得到廣泛應用。據不完全統計，全世界隔震橋梁約15000座，其中我國占1/3，約4700座。在這些橋梁中，相當部分橋梁經歷了地震考驗，如我國第一座隔震橋梁——2000年建成的南疆鐵路布谷孜大橋，經受了2003年2月24日新疆喀什的6.2級地震，該橋距震中50km，震后狀況良好，有力保障了救援物資的運輸；又如日本阪神地震后，采用疊層橡膠支座加固的一大批橋梁，在2011年311大地震中表現良好。

以下三個案例比較有代表性。

2004年建成的希臘里翁-安蒂里翁（Rion-Antirion）橋跨越科林斯灣，在過去的幾十年里，科林斯灣發生過3次6.5級地震，伯羅奔尼撒半島每年以8～11mm的速度漂離大陸。為滿足航運要求，該橋采用了主跨3×560m全漂浮斜拉橋結構跨越斷層，為能夠承受2000年一遇、高達0.48g加速度峰值以及2m的橫向和豎向斷層位移的需求，該橋首創了加筋土隔震地基、采用基底隔震技術，即把大型沉箱基礎直接放置在厚3m的砂礫層上，之間沒有連接，在大地震下允許基礎與地基之間產生三維移動（由于恒載足夠大，在正常運營及小地震下不會滑動），起到隔震作用。為提高土的力學性能、保證隔震效果，在每個沉箱下用250根直徑2m、長25～30m的鋼管加固土體。此外，為兼顧抵御極端地震、保障在溫度及風荷載作用下橋梁正常運營，該橋在每個墩梁連接處布置了5個阻尼器(4個縱向、1個橫向)，最大阻尼力達350t，以限制地震作用下墩梁相對位移。見圖3。

圖3 Rion-Antirion橋概貌

2012年建成的雅西高速干海子大橋位于9度地震區，全長1811m、共36跨，最矮橋墩僅5m，最高橋墩達107m，墩高相差極大，又處在半徑386m的S形曲線上，地震行為非常復雜（圖4）。對此，設計者多管齊下，采用了三條隔震減震對策：一是開發梁體和橋墩均為鋼管混凝土的桁架結構。相對于傳統的預應力混凝土結構，將混凝土用量從14萬方降低到5萬方，節省了2/3的混凝土用量、1/5鋼材，大幅度降低了上部結構的質量，減小了地震慣性力；二是根據地震性能最優的原則分聯，將整座橋分成長短不一的三聯，聯長分別為486.3m、1045.1m、279.6m，目標是每個橋墩都能夠合理地分擔地震作用，同時達到同一種破壞控制方式；三是優化墩梁支承方式，墩梁之間有固接、鉸接、滑動、有限位移等多種聯結方式，并開發了專門的有限位移阻尼支座，力求在地震作用下各個橋墩都能同時達到期望的破壞控制狀態。

圖4 干海子大橋遠眺

2018年建成的港珠澳大橋是世界上最長的隔震橋梁。在非通航區的110m鋼-混凝土連續結合梁橋中，采用隔震技術后，墩底內力降低了60%-80%不等，抗震能力從7度提高到9度，并留有防御極罕遇地震的能力，在重現期1200年水準的地震作用下結構處于完全彈性狀態，在重現期2400年水準的地震作用下結構處于基本彈性狀態。在削減墩底內力的同時，承臺、樁基礎體量和數量大幅減小，使得橋梁總體造價降低約12%、總額高達5億元，并成功避開了震后墩底開裂、水下修復難度大的技術障礙，開發了耐海洋環境的系列隔震支座。該橋振動臺臺陣試驗概貌及典型測試結果見圖5。

圖5 港珠澳大橋試驗概況

總之，隔震橋梁在技術上比較成熟，在經濟上有競爭力，在施工及維護上沒有原則困難。但是，擔負著隔震技術推廣應用使命的一線工程師在隔震橋梁設計時還常常會遇到一些矛盾或沖突，對此需要把握隔震本質、辯證思考、深入研究，根據具體情況綜合分析應對。概括起來，隔震橋梁設計時的難點大致有三：一是如何正確選擇隔震體系，以兼顧正常使用階段橋梁結構必要的剛度與罕遇地震作用下橋梁結構水平剛度足夠小的矛盾，以滿足兩類極限狀態對結構剛度的不同需求；二是隔震橋梁在E2地震作用下變柔了，地震內力減小了，但變形增大了，如何在內力與變形的矛盾中取得平衡，實現隔震結構體系與細部構造優化匹配，以避免帽梁、伸縮縫、隔震構造措施的設計困難（圖1、圖6）；三是對位于高烈度地區的非規則橋梁、墩高差異較大的橋梁、曲線梁等，如何將隔震、減震與抗震幾種策略結合起來，形成相互支撐而不是非此即彼的技術線路，需具體問題具體分析，雅西高速干海子大橋無疑是很好的示范。

圖6 隔震橋梁的位移譜

橋梁結構減震（振）體系

橋梁結構減震（振）體系的基本思路是增加阻尼，其本質是通過設置減震（振）裝置，將結構阻尼比大幅度提高，從而耗散外部能量輸入、減小振動響應或變形量值。一般而言，減震（振）體系主要用于大跨度斜拉橋和懸索橋，采取震-振雙控的策略，統籌兼顧地震響應、風荷載及車輛荷載作用下的振動響應和變形控制，有時候也用于既有梁橋、拱橋的抗震加固。大跨度柔性橋梁在設置減震（振）裝置后，阻尼比成倍增大，結構振動響應被有效削減，某些情況下還可以改善靜力行為。必要時還可以設置可犧牲構件（容許損壞耗能的構件）或改變結構體系，以保證在特大地震作用下基本結構體系的完整。

以大跨度斜拉橋為例，塔梁墩之間的縱向約束體系亦即減震（振）約束裝置的設置，對其靜力、動力行為影響非常顯著，以便既能釋放溫度變形，又能減小結構地震響應，還能適當限制主梁在運營情況下的位移量。目前，根據約束裝置提供的剛度及阻尼的不同，主要可以分為彈性約束、阻尼限位約束、鎖定限位約束三大類。彈性約束體系的彈性恢復力是塔梁相對位移的函數，一般采用水平拉索和黏滯型阻尼器的組合來實現，彈性剛度的大小是調節結構反應的關鍵。阻尼限位約束體系一般由剛性限位裝置、黏滯型阻尼器組成，鎖定限位約束體系是在阻尼限位約束的基礎上增加動力鎖定裝置，主要參數包括額定行程、約束體系的彈性剛度與鎖定力大小，以兼顧削減靜力作用下的加勁梁及塔頂的縱向水平位移、控制地震荷載作用下的結構反應的需求。下頁表列舉了10座有代表性的減震（振）斜拉橋約束體系，從中可以看出20多年來斜拉橋減震（振）對策的發展演化進程。

大量試驗研究、數值分析與現場監測表明：斜拉橋、懸索橋約束體系可以顯著改善結構的靜、動力反應，具體改善情況和程度與約束類型有關。設置合適的約束體系后，相對于漂浮體系，其主梁、索塔在地震作用下的縱向位移響應峰值可以削減30%～60%以上，墩底內力也有所減小，在風荷載及列車制動力作用下，加勁梁的梁端、塔頂位移響應可以減小50%～70%以上。

橋梁減震（振）技術比較成熟，應用較廣。全世界減震（振）橋梁約9400座，中國占1/5、約1700座。在斜拉橋、懸索橋的減震（振）體系之外，采用防屈曲支撐、黏滯阻尼器、金屬阻尼器進行既有梁橋和拱橋的抗震加固也比較普遍。

現列舉兩個比較有特色的減震（振）橋梁案例。

2008年建成的蘇通長江大橋，采用了阻尼限位約束體系，額定行程750mm，相對于漂浮體系，限位約束體系在靜力作用下梁端、塔頂水平位移減小了50%以上，塔底彎矩減小了約27%，在地震作用下梁端、塔頂水平位移減小了70%左右，塔根彎矩減小20%～30%、剪力降低了15%左右，減震效果非常顯著。

2012年建成的美國奧克蘭海灣大橋東橋位于舊金山，原橋在1989年的Loma Prieta地震中破壞，出于交通、美觀等多方面的需求，最終確定了塔高160m、主跨385m的獨塔自錨式懸索橋。相對于門式塔，獨柱塔是非冗余結構，在地震作用下如果形成塑性鉸結構會變得不穩定，一般認為在高烈度區采用獨柱塔是不安全的。對此，設計者推陳出新，將獨柱塔一分為四、在四個塔柱之間設置了120根剪力鍵，剪力鍵作為可犧牲構件，具有足夠的延性，與塔柱采用高強螺栓連接，便于震后更換。分析表明，在地震作用下，剪力鍵逐次屈服、形成多個塑性鉸，索塔剛度大幅度降低，在塔頂橫向變形達6m的情況下，剪力鍵仍具有足夠的變形儲備與耗能能力，可以確保四個塔柱始終保持在彈性受力階段，如圖7。

圖7 奧克蘭海灣大橋東橋

需要指出的是，在減震(振)橋梁體系中，減震(振)裝置發揮作用的前提是，結構在地震或風荷載作用下要產生一定的相對速度或相對變形。此外，對于設置防屈曲支撐等耗能構件或犧牲構件的橋梁，只有在發生預定的破壞模式下，耗能構件才能發揮預想的作用。因此，在工程實踐中，對于以控制風振及車橋耦合振動位移量為主要目標的橋梁，減振技術及裝置因不斷被實踐檢驗而發展較快，相對比較成熟；對于以減小地震響應為主要目標的橋梁，由于地震輸入存在極大的不確定性以及大跨度橋梁地震響應的復雜性，減震技術及裝置開發相對較慢，工程應用常常需要依托專題研究成果，而這類經受地震考驗的減震橋梁也較少。從這個角度看，隔震技術更加簡便、成熟可靠。

橋梁結構振動控制體系

橋梁結構振動控制體系主要針對柔性橋梁的風致振動，其本質是質量調諧或增加阻尼，進而削減振動響應。橋梁風致振動既包括影響結構安全的發散振動，如主梁顫振、橋塔馳振、斜拉索風雨振和細長構件的尾流馳振，也包括影響結構正常使用的限幅振動，如主梁的渦激振動和抖振。不同的風振類型其振動機理和表現形式不一樣，振動控制措施也不盡相同。其中，需要借助于振動控制策略予以抑制的主要有兩種，即拉索的風雨振動和主梁的渦激振動。

斜拉索剛度幾乎全部來自預張力的幾何剛度，加上其阻尼非常小，極易發生馳振、風雨振、參數振動等振動現象，振動產生的機理比較復雜，早年甚至發生了美國弗里德·哈特曼（Fred Hartman）斜拉橋拉索相互碰撞的極端事件。對此，工程界的主要對策措施是：在拉索與加勁梁錨固部位增設阻尼器，早期阻尼器主要是摩擦阻尼器、液壓阻尼器，現已發展出高阻尼橡膠、電磁、磁流變等多種阻尼器，設置減振裝置后，振動響應可以削減90%左右；設置螺旋線、優化斜拉索防護PE套的表面構造，防止風雨振動發生；用輔助索梁斜拉索連接交叉起來，約束其振動。

對于扁平流線型加勁梁或鋼箱連續梁，在特定風速風向下，當旋渦脫落頻率與結構自振頻率接近時，就會引發渦激共振。隨著空氣升力頻率、能量輸入差異以及風向、阻尼的變化，會在前幾階豎向振動模態之間轉換，但最大振幅相差不大。渦振已在國內外10多座橋梁中發生，雖然大多數不會產生結構安全問題，但會明顯影響司乘人員的舒適度及駕駛安全。研究表明：當結構等效阻尼比達到0.6%以上時，渦振衰減很快；當結構等效阻尼比達到1.0%以上，渦振很難發生。因此，設置TMD質量調諧阻尼器、電磁阻尼器就成為控制渦振的主要對策。日本的東京灣大橋、俄羅斯伏爾加河大橋（均為連續鋼箱梁）等橋梁在發生渦振后設置了TMD，控制效果良好；我國崇啟長江大橋、港珠澳大橋等橋梁在建設時就設置了TMD，各階模態阻尼比普遍在1.2%～1.8%之間，迄今為止尚未出現渦振。

此外，對于高度較大的索塔，在施工過程易發生渦振。對此，可在塔頂設置TMD來削減渦激振動的振幅，或采用臨時拉索將塔頂與相鄰橋墩聯結起來，如昂船洲大橋施工過程中在塔頂設置平動TMD，將渦激振動幅度從10～12cm削減至1～2cm。

總之,橋梁結構振動控制體系主要用于柔性橋梁或構件的風振控制,以被動控制為主,基本上可以滿足工程需求。半主動控制、混合控制等控制策略目前仍存在造價較高、系統復雜、可靠性不易保障等問題，尚難以推廣應用。

抗震隔震減震與振動控制技術的未來

作為生命線工程的橋梁結構，其耐震性能會越來越高，從“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防目標，轉變為“小震彈性、中震不壞、大震可修、巨震不倒”的設防目標，以確保震后交通不中斷及救援工作能順利展開。隨著長大柔性橋梁數量的增多，風振、車橋耦合振動已經成為橋梁工程師要面對的新課題。面對地震、風振輸入的高度不確定性，隔震、減震（振）控制無疑是最有效的途徑，是終止我國地震災難、風振危害的必由之路。目前，震后功能可恢復的橋梁隔震減震體系，如搖擺式自復位橋墩、體外預應力裝配式橋墩、鋼管混凝土組合橋墩等低損傷免修復（或微修復）體系正在研發和應用探索，韌性結構、智能結構、半主動控制技術、自適應減隔震技術、新型隔震減震裝置等也在快速發展迭代之中，相信能夠滿足工程實踐對隔震、減震與振動控制的新需求。

圖8 不同應對地震策略的維修代價（日本WADA圖）

1400多年前，我們祖先建造了趙州橋、應縣木塔、恒山懸空寺等耐震性能優越的橋梁和結構。在隔震、減震與振動控制發展壯大的40年里，我國已成為該領域的并跑者。在橋梁保有量超過100萬座、長大橋梁占據全世界半數以上、每年新建橋梁數量超過3萬座的旺盛需求帶動下，我們有理由自豪，但更有責任、有能力推動橋梁建設實現從“能不能”向“好不好”“韌性強不強”“耐災安全性高不高”的根本轉變，促進橋梁隔震減震與振動控制技術發展得更快更好、可靠性更高、應用更廣泛，從而確保震后交通不中斷的基本要求，并大幅度降低震后維修代價（圖8）。正如2017年第16屆世界地震工程會議所達成的共識：從單純采用傳統抗震技術，過渡到抗震、隔震、減震（振）與振動控制并用的新時代正在來臨！

本文刊載 / 《橋梁》雜志 2021年 第1期 總第99期

作者 / 周福霖 張俊平

作者單位 / 廣州大學工程抗震研究中心

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