怎么建造一座钢索桥（如何建造一座耐震）

地震是各种自然灾害包括洪涝灾害、风灾、地质灾害中最难预防、导致生命财产损失最大的灾害，为群灾之首，严重危害人民生命安全与社会稳定。随着经济社会发展水平的提高，迫切需要突破传统抗震体系存在的安全隐患，发展先进有效的桥梁地震安全保护体系。

传统抗震体系及其安全隐患

随着传统抗震体系在工程中的广泛应用以及历次地震震害调查结果的积累，其存在的不足及安全隐患逐渐显现。概括起来，传统抗震体系存在的安全隐患主要体现在以下三个方面。

第一，目前人类对地球科学、地震工程尚存在诸多认知局限，导致地震难以预测、地震烈度难以准确确定，地震造成的大灾难往往发生在设防不足的低烈度区域。例如，我国唐山按6度设防（0.05g）、震中达11度（0.90g），汶川按7度设防（0.10g）、震中达11度（0.90g），青海玉树按7度设防、震中接近11度（0.80g），等等，设防烈度与实际烈度的地面震动加速度相差普遍达到了10～20倍。另外，受各种因素制约，我国现有设防烈度依然偏低，如公路桥梁的设计加速度峰值多在0.05-0.2g之间，而日本、智利为0.3g，土耳其0.2g-0.4g，伊朗0.35g。这既与我国国土100%为地震区域、罕遇大地震频发的客观因素不符，也与我国经济社会进入工业化中后期的发展阶段不相适应。

第二，在传统抗震体系下，相当一部分桥梁的结构自振周期在1～2s的范围内，与地面运动周期0.5～1.5s重叠区域较大，桥梁与地面运动容易发生共振现象（图1），导致桥梁地震反应常常被放大2-4倍，易产生桥墩破坏、倒塌等难以修复的震害。此外，传统支座的变形能力普遍较差，没有消耗地震能量输入的能力，支座与防止梁体掉落的构造措施协同性也不够，易发生落梁。

图1

第三，传统抗震体系采用增大桥墩断面、增大刚度等“硬抗”的技术路线，其结果是结构刚度越大、结构地震作用也越大，在设计时容易陷入非良性循环,导致桥梁造价高10%～40%，而桥梁仍难以抵抗超大地震的冲击。传统抗震设计虽然允许桥墩产生延性损坏,但由于地震输入的不确定性及桥梁结构动力行为的复杂性,罕遇地震时塑性铰并不一定出现在设计部位,常导致结构严重受损甚至倒塌(图2)。

图2

进入80年代，人们从历次震害中逐渐认识到传统抗震体系的局限与不足，兴起了结构隔震、减震与振动控制技术的研究与实践，这是过去40年来地震工程最重要的创新成果之一。这项技术是通过调整动力参数以大幅度降低结构的动力反应，从而成倍提高桥梁结构的耐震安全度。

桥梁结构隔震体系

桥梁结构隔震体系的基本思想是“以柔克刚”，其本质是通过设置隔震装置，将结构自震周期从1～2s的范围延长至3～5s，从而隔离地震作用，同时设置防落梁的消能限位装置，避免特大地震作用下落梁。隔震体系主要适用于中小跨径简支梁及连续梁桥，常用的隔震装置主要有叠层橡胶支座、摩擦摆支座、高阻尼橡胶支座等，以取代传统的板式橡胶支座、盆式橡胶支座或球形钢支座，具有构造简单、耗能能力强、施工维护方便等特点。

大量试验研究与理论分析表明：传统抗震体系水平刚度大，结构基频与地震动能量输入的主频率之比一般在0.8～1.5倍，地震动放大系数在2～4倍；隔震结构因其水平刚度小、周期大幅度延长，基频与地震动频率之比一般在2～8倍，地震动放大系数在1/2～1/8；理论分析揭示隔震桥梁地震响应最大可削减至隔震前的1/4～1/12，试验反映其地震响应最大可削减至隔震前的1/8～1/9。

从我国工程实践结果来看，在7度情况下，隔震桥梁造价较传统桥梁高约2%～4%，而在8、9度及以上，隔震桥梁相对于抗震桥梁，造价降幅高达10%～40%。因而，在面对地震烈度存在极大不确定性时，桥梁结构隔震体系不仅更为安全合理，且更经济有效。因此，隔震桥梁在世界各国得到广泛应用。据不完全统计，全世界隔震桥梁约15000座，其中我国占1/3，约4700座。在这些桥梁中，相当部分桥梁经历了地震考验，如我国第一座隔震桥梁——2000年建成的南疆铁路布谷孜大桥，经受了2003年2月24日新疆喀什的6.2级地震，该桥距震中50km，震后状况良好，有力保障了救援物资的运输；又如日本阪神地震后，采用叠层橡胶支座加固的一大批桥梁，在2011年311大地震中表现良好。

以下三个案例比较有代表性。

2004年建成的希腊里翁-安蒂里翁（Rion-Antirion）桥跨越科林斯湾，在过去的几十年里，科林斯湾发生过3次6.5级地震，伯罗奔尼撒半岛每年以8～11mm的速度漂离大陆。为满足航运要求，该桥采用了主跨3×560m全漂浮斜拉桥结构跨越断层，为能够承受2000年一遇、高达0.48g加速度峰值以及2m的横向和竖向断层位移的需求，该桥首创了加筋土隔震地基、采用基底隔震技术，即把大型沉箱基础直接放置在厚3m的砂砾层上，之间没有连接，在大地震下允许基础与地基之间产生三维移动（由于恒载足够大，在正常运营及小地震下不会滑动），起到隔震作用。为提高土的力学性能、保证隔震效果，在每个沉箱下用250根直径2m、长25～30m的钢管加固土体。此外，为兼顾抵御极端地震、保障在温度及风荷载作用下桥梁正常运营，该桥在每个墩梁连接处布置了5个阻尼器(4个纵向、1个横向)，最大阻尼力达350t，以限制地震作用下墩梁相对位移。见图3。

图3 Rion-Antirion桥概貌

2012年建成的雅西高速干海子大桥位于9度地震区，全长1811m、共36跨，最矮桥墩仅5m，最高桥墩达107m，墩高相差极大，又处在半径386m的S形曲线上，地震行为非常复杂（图4）。对此，设计者多管齐下，采用了三条隔震减震对策：一是开发梁体和桥墩均为钢管混凝土的桁架结构。相对于传统的预应力混凝土结构，将混凝土用量从14万方降低到5万方，节省了2/3的混凝土用量、1/5钢材，大幅度降低了上部结构的质量，减小了地震惯性力；二是根据地震性能最优的原则分联，将整座桥分成长短不一的三联，联长分别为486.3m、1045.1m、279.6m，目标是每个桥墩都能够合理地分担地震作用，同时达到同一种破坏控制方式；三是优化墩梁支承方式，墩梁之间有固接、铰接、滑动、有限位移等多种联结方式，并开发了专门的有限位移阻尼支座，力求在地震作用下各个桥墩都能同时达到期望的破坏控制状态。

图4 干海子大桥远眺

2018年建成的港珠澳大桥是世界上最长的隔震桥梁。在非通航区的110m钢-混凝土连续结合梁桥中，采用隔震技术后，墩底内力降低了60%-80%不等，抗震能力从7度提高到9度，并留有防御极罕遇地震的能力，在重现期1200年水准的地震作用下结构处于完全弹性状态，在重现期2400年水准的地震作用下结构处于基本弹性状态。在削减墩底内力的同时，承台、桩基础体量和数量大幅减小，使得桥梁总体造价降低约12%、总额高达5亿元，并成功避开了震后墩底开裂、水下修复难度大的技术障碍，开发了耐海洋环境的系列隔震支座。该桥振动台台阵试验概貌及典型测试结果见图5。

图5 港珠澳大桥试验概况

总之，隔震桥梁在技术上比较成熟，在经济上有竞争力，在施工及维护上没有原则困难。但是，担负着隔震技术推广应用使命的一线工程师在隔震桥梁设计时还常常会遇到一些矛盾或冲突，对此需要把握隔震本质、辩证思考、深入研究，根据具体情况综合分析应对。概括起来，隔震桥梁设计时的难点大致有三：一是如何正确选择隔震体系，以兼顾正常使用阶段桥梁结构必要的刚度与罕遇地震作用下桥梁结构水平刚度足够小的矛盾，以满足两类极限状态对结构刚度的不同需求；二是隔震桥梁在E2地震作用下变柔了，地震内力减小了，但变形增大了，如何在内力与变形的矛盾中取得平衡，实现隔震结构体系与细部构造优化匹配，以避免帽梁、伸缩缝、隔震构造措施的设计困难（图1、图6）；三是对位于高烈度地区的非规则桥梁、墩高差异较大的桥梁、曲线梁等，如何将隔震、减震与抗震几种策略结合起来，形成相互支撑而不是非此即彼的技术线路，需具体问题具体分析，雅西高速干海子大桥无疑是很好的示范。

图6 隔震桥梁的位移谱

桥梁结构减震（振）体系

桥梁结构减震（振）体系的基本思路是增加阻尼，其本质是通过设置减震（振）装置，将结构阻尼比大幅度提高，从而耗散外部能量输入、减小振动响应或变形量值。一般而言，减震（振）体系主要用于大跨度斜拉桥和悬索桥，采取震-振双控的策略，统筹兼顾地震响应、风荷载及车辆荷载作用下的振动响应和变形控制，有时候也用于既有梁桥、拱桥的抗震加固。大跨度柔性桥梁在设置减震（振）装置后，阻尼比成倍增大，结构振动响应被有效削减，某些情况下还可以改善静力行为。必要时还可以设置可牺牲构件（容许损坏耗能的构件）或改变结构体系，以保证在特大地震作用下基本结构体系的完整。

以大跨度斜拉桥为例，塔梁墩之间的纵向约束体系亦即减震（振）约束装置的设置，对其静力、动力行为影响非常显著，以便既能释放温度变形，又能减小结构地震响应，还能适当限制主梁在运营情况下的位移量。目前，根据约束装置提供的刚度及阻尼的不同，主要可以分为弹性约束、阻尼限位约束、锁定限位约束三大类。弹性约束体系的弹性恢复力是塔梁相对位移的函数，一般采用水平拉索和黏滞型阻尼器的组合来实现，弹性刚度的大小是调节结构反应的关键。阻尼限位约束体系一般由刚性限位装置、黏滞型阻尼器组成，锁定限位约束体系是在阻尼限位约束的基础上增加动力锁定装置，主要参数包括额定行程、约束体系的弹性刚度与锁定力大小，以兼顾削减静力作用下的加劲梁及塔顶的纵向水平位移、控制地震荷载作用下的结构反应的需求。下页表列举了10座有代表性的减震（振）斜拉桥约束体系，从中可以看出20多年来斜拉桥减震（振）对策的发展演化进程。

大量试验研究、数值分析与现场监测表明：斜拉桥、悬索桥约束体系可以显著改善结构的静、动力反应，具体改善情况和程度与约束类型有关。设置合适的约束体系后，相对于漂浮体系，其主梁、索塔在地震作用下的纵向位移响应峰值可以削减30%～60%以上，墩底内力也有所减小，在风荷载及列车制动力作用下，加劲梁的梁端、塔顶位移响应可以减小50%～70%以上。

桥梁减震（振）技术比较成熟，应用较广。全世界减震（振）桥梁约9400座，中国占1/5、约1700座。在斜拉桥、悬索桥的减震（振）体系之外，采用防屈曲支撑、黏滞阻尼器、金属阻尼器进行既有梁桥和拱桥的抗震加固也比较普遍。

现列举两个比较有特色的减震（振）桥梁案例。

2008年建成的苏通长江大桥，采用了阻尼限位约束体系，额定行程750mm，相对于漂浮体系，限位约束体系在静力作用下梁端、塔顶水平位移减小了50%以上，塔底弯矩减小了约27%，在地震作用下梁端、塔顶水平位移减小了70%左右，塔根弯矩减小20%～30%、剪力降低了15%左右，减震效果非常显著。

2012年建成的美国奥克兰海湾大桥东桥位于旧金山，原桥在1989年的Loma Prieta地震中破坏，出于交通、美观等多方面的需求，最终确定了塔高160m、主跨385m的独塔自锚式悬索桥。相对于门式塔，独柱塔是非冗余结构，在地震作用下如果形成塑性铰结构会变得不稳定，一般认为在高烈度区采用独柱塔是不安全的。对此，设计者推陈出新，将独柱塔一分为四、在四个塔柱之间设置了120根剪力键，剪力键作为可牺牲构件，具有足够的延性，与塔柱采用高强螺栓连接，便于震后更换。分析表明，在地震作用下，剪力键逐次屈服、形成多个塑性铰，索塔刚度大幅度降低，在塔顶横向变形达6m的情况下，剪力键仍具有足够的变形储备与耗能能力，可以确保四个塔柱始终保持在弹性受力阶段，如图7。

图7 奥克兰海湾大桥东桥

需要指出的是，在减震(振)桥梁体系中，减震(振)装置发挥作用的前提是，结构在地震或风荷载作用下要产生一定的相对速度或相对变形。此外，对于设置防屈曲支撑等耗能构件或牺牲构件的桥梁，只有在发生预定的破坏模式下，耗能构件才能发挥预想的作用。因此，在工程实践中，对于以控制风振及车桥耦合振动位移量为主要目标的桥梁，减振技术及装置因不断被实践检验而发展较快，相对比较成熟；对于以减小地震响应为主要目标的桥梁，由于地震输入存在极大的不确定性以及大跨度桥梁地震响应的复杂性，减震技术及装置开发相对较慢，工程应用常常需要依托专题研究成果，而这类经受地震考验的减震桥梁也较少。从这个角度看，隔震技术更加简便、成熟可靠。

桥梁结构振动控制体系

桥梁结构振动控制体系主要针对柔性桥梁的风致振动，其本质是质量调谐或增加阻尼，进而削减振动响应。桥梁风致振动既包括影响结构安全的发散振动，如主梁颤振、桥塔驰振、斜拉索风雨振和细长构件的尾流驰振，也包括影响结构正常使用的限幅振动，如主梁的涡激振动和抖振。不同的风振类型其振动机理和表现形式不一样，振动控制措施也不尽相同。其中，需要借助于振动控制策略予以抑制的主要有两种，即拉索的风雨振动和主梁的涡激振动。

斜拉索刚度几乎全部来自预张力的几何刚度，加上其阻尼非常小，极易发生驰振、风雨振、参数振动等振动现象，振动产生的机理比较复杂，早年甚至发生了美国弗里德·哈特曼（Fred Hartman）斜拉桥拉索相互碰撞的极端事件。对此，工程界的主要对策措施是：在拉索与加劲梁锚固部位增设阻尼器，早期阻尼器主要是摩擦阻尼器、液压阻尼器，现已发展出高阻尼橡胶、电磁、磁流变等多种阻尼器，设置减振装置后，振动响应可以削减90%左右；设置螺旋线、优化斜拉索防护PE套的表面构造，防止风雨振动发生；用辅助索梁斜拉索连接交叉起来，约束其振动。

对于扁平流线型加劲梁或钢箱连续梁，在特定风速风向下，当旋涡脱落频率与结构自振频率接近时，就会引发涡激共振。随着空气升力频率、能量输入差异以及风向、阻尼的变化，会在前几阶竖向振动模态之间转换，但最大振幅相差不大。涡振已在国内外10多座桥梁中发生，虽然大多数不会产生结构安全问题，但会明显影响司乘人员的舒适度及驾驶安全。研究表明：当结构等效阻尼比达到0.6%以上时，涡振衰减很快；当结构等效阻尼比达到1.0%以上，涡振很难发生。因此，设置TMD质量调谐阻尼器、电磁阻尼器就成为控制涡振的主要对策。日本的东京湾大桥、俄罗斯伏尔加河大桥（均为连续钢箱梁）等桥梁在发生涡振后设置了TMD，控制效果良好；我国崇启长江大桥、港珠澳大桥等桥梁在建设时就设置了TMD，各阶模态阻尼比普遍在1.2%～1.8%之间，迄今为止尚未出现涡振。

此外，对于高度较大的索塔，在施工过程易发生涡振。对此，可在塔顶设置TMD来削减涡激振动的振幅，或采用临时拉索将塔顶与相邻桥墩联结起来，如昂船洲大桥施工过程中在塔顶设置平动TMD，将涡激振动幅度从10～12cm削减至1～2cm。

总之,桥梁结构振动控制体系主要用于柔性桥梁或构件的风振控制,以被动控制为主,基本上可以满足工程需求。半主动控制、混合控制等控制策略目前仍存在造价较高、系统复杂、可靠性不易保障等问题，尚难以推广应用。

抗震隔震减震与振动控制技术的未来

作为生命线工程的桥梁结构，其耐震性能会越来越高，从“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标，转变为“小震弹性、中震不坏、大震可修、巨震不倒”的设防目标，以确保震后交通不中断及救援工作能顺利展开。随着长大柔性桥梁数量的增多，风振、车桥耦合振动已经成为桥梁工程师要面对的新课题。面对地震、风振输入的高度不确定性，隔震、减震（振）控制无疑是最有效的途径，是终止我国地震灾难、风振危害的必由之路。目前，震后功能可恢复的桥梁隔震减震体系，如摇摆式自复位桥墩、体外预应力装配式桥墩、钢管混凝土组合桥墩等低损伤免修复（或微修复）体系正在研发和应用探索，韧性结构、智能结构、半主动控制技术、自适应减隔震技术、新型隔震减震装置等也在快速发展迭代之中，相信能够满足工程实践对隔震、减震与振动控制的新需求。

图8 不同应对地震策略的维修代价（日本WADA图）

1400多年前，我们祖先建造了赵州桥、应县木塔、恒山悬空寺等耐震性能优越的桥梁和结构。在隔震、减震与振动控制发展壮大的40年里，我国已成为该领域的并跑者。在桥梁保有量超过100万座、长大桥梁占据全世界半数以上、每年新建桥梁数量超过3万座的旺盛需求带动下，我们有理由自豪，但更有责任、有能力推动桥梁建设实现从“能不能”向“好不好”“韧性强不强”“耐灾安全性高不高”的根本转变，促进桥梁隔震减震与振动控制技术发展得更快更好、可靠性更高、应用更广泛，从而确保震后交通不中断的基本要求，并大幅度降低震后维修代价（图8）。正如2017年第16届世界地震工程会议所达成的共识：从单纯采用传统抗震技术，过渡到抗震、隔震、减震（振）与振动控制并用的新时代正在来临！

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本文刊载 / 《桥梁》杂志 2021年 第1期 总第99期

作者 / 周福霖 张俊平

作者单位 / 广州大学工程抗震研究中心

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