桥梁易损性研究的回顾与展望

2010-08-15赵有泽

山西建筑 2010年12期

赵有泽

从2008年至今,全世界发生了多次骇人听闻的大地震,比如2008年5月12日的中国汶川大地震,2010年1月12日的海地大地震,遇难人数甚多。地震频发,气候异常,道路破坏,桥梁倒塌。越来越多的灾害研究者和国际社会开始关注这样一个问题:桥梁在地震面前是否变得更加易损或脆弱,易损性逐渐成为抗震学术研究的一个重要概念以及国际社会抗震减灾策略的一个中心主题。桥梁的地震易损性分析有利于抗震加固,灾后的响应计划,直接经济损失估计,以及震后公路系统的功能评估。为了评估公路桥梁结构的损伤水平(轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌),易损性曲线公认为是一种有用的工具[1]。本文试图通过对桥梁易损性研究的回顾与展望,构建桥梁易损性科学的一些基本理念,说明桥梁易损性分析在抗震研究和防灾减灾实践中的积极意义。

1 桥梁易损性研究的由来

20世纪以来,尽管极端灾害类地球物理事件爆发的频率没有显著增加,但全球因灾难造成的人类伤亡和物质财产的损失却显著增加,这种现象是传统的自然灾害理解范式不能解释的[2]。同时人们也发现,类似强度的自然灾害,在不同的社会经济背景下,其后果差异很大,比如发生在美国加里福尼亚和尼加拉瓜的地震其灾情就大不一样[3]。有一些社会学家在20世纪70年代就开始怀疑传统的自然灾害范式,而易损性曲线的研究也正是在这个时候开始萌芽。在20世纪70年代核电站的地震概率风险评估里,将机械和结构系统里的抗震能力以概率函数的形式表示出来。该函数以地面运动强度为参数,通常采用PGA(峰值地面加速度),SA(谱加速度)和SI(谱烈度)作为地震动参数,该函数可以反映出结构能力和地震动参数所涉及的不确定性因素。

我国对房屋建筑结构的地震易损性分析取得了一定成果,但是对桥梁结构的地震易损性分析却仍然处于起步阶段。一般而言,桥梁地震易损性分析的研究,讨论的是形成易损性曲线的过程。有两种方法可以得到结构的地震易损性曲线,一种是经验统计法,另一种是理论计算法。经验统计法得到的易损性曲线就是基于历史震害资料,找出主要致灾因素,然后通过数理统计得出反映影响因素轻重的量化值,最终判断出桥梁在一定地震烈度下的震害概率;而理论计算法是将现有结构建模,并结合相关理论分析得出结构破坏机制,主要包括规范校核法、Pushover法、计算屈服强度系数法以及大跨度桥梁的定性定量分析法,并且如果有可能,最终得到的易损性曲线应该用实际的地震数据来验证。

2 易损性的含义

“易损性”一词常常用于风险和灾害研究文献中,也逐渐成为全球变化、环境发展和地理学的重要词汇[4]。从广泛意义上看,桥梁易损性就是桥梁的潜在损失,然而这个语义并没有清楚的表达描述的损失是什么类型,哪部分结构将损失,或许是桥梁的疲劳损失,或许是风吹雨淋的潜在损失,或许是来自于地震等灾害的损失,或是来自于交通过程的潜在损失。这就为桥梁易损性的理解留下了很大的空间。

许多灾害研究者都对易损性表达过自己的见解,但这些定义差别很大,表述方式不同,让人们无所适从。大体上他们的定义可以分为以下三类:第一类是宽泛的定义,也就是说:易损性是指易于遭受自然灾害的破坏和损害[5]。这个定义最早出现在Burton等人编著的“环境灾害”一书中,成为了易损性使用最广泛的定义。第二类是Blaikie的定义[6],即易损性就是个人或群体预见、处理、抵御灾害和从灾害中恢复的能力的特征,它涉及到自然或社会灾害威胁人们生活程度的各种因素。在灾害背景下,社会中一些阶层比另一些阶层的人们更容易遭受到灾害的破坏和损失,这些影响因素包括:社会阶层、种姓、种族、性别、残疾、年龄等。这类概念关注的主题是社会对灾害的抵御和恢复能力,灾害事件的性质当作是已知的条件,它强调易损性的社会结构,注重分析影响人们处理灾害能力的历史、文化、社会和经济过程。易损性概念的第三类含义是指灾害风险及其处理灾害事件的社会和经济能力的综合量度[7]。在这种用法中,灾害易损性将灾害危险的敏感性和人类对这种危险的响应能力结合起来,它相对应的概念是社会的恢复力。这一定义外延太广,将灾害风险包含在易损性概念之内,一般来说,灾害风险和易损性是两个概念,且多数人认为易损性只是灾害风险的一个组成。

3 桥梁地震易损性分级方法

人们已经提出根据交通量和绕行距离对桥梁的重要性进行分类,并且给出定量的重要性指标,这种定量方法不包括社会经济因素。在美国 1995年出版的报告《FHWA-RD-94-052》,即《公路桥梁抗震加固手册》中,建议将桥梁分为两类:重要性桥梁和一般桥梁[8]。重要性桥梁是指那些期望在地震后具有桥梁运营功能的桥梁,或期望地震后立即能够开放的桥梁;此外的其他所有桥梁归类为一般桥梁。所以,重要性的确定是主观的,在作出这种判断时,桥梁重要性的判断取决于社会、生存和安全、防卫等因素。

桥梁抗震易损性分级方法给结构赋予一个结构易损性指数(1～10)和一个地震危险性指数(1～10),并且同时考虑这些不同的指标,得到一个总的抗震等级。一些方法还用一个重要性指标去描述日车流量、交通网络冗余度和社会经济环境,另外一些方法采用定性的度量指标来考虑这些因素。下面归纳了三种方法进行桥梁地震易损性分级:1)指数法(FHWA,1995年)。用指数描述结构易损性和危险性水平,然后合并这两个指数,对每一座桥给出唯一的等级。指数的范围从0～10,并且给予保守的、半经验的准则。通过这个等级来确定加固优先顺序,这个等级综合了重要性、交通网络冗余度、非地震因素和社会经济因素的定性评估,然而这种方法的不足是对一些固有的不确定因素用主观的标准予以考虑。这种方法是三种方法中最简单的方法,但也是最保守的方法。2)预期损伤法。这个方法在相同的地震下对每一座桥梁做严格的预期损伤比较。关于损伤程度的量测,要么通过持续的损伤状态,要么直接估计经济损失。预期损伤(或损失)最严重的桥梁其优先加固等级也最高。通过脆弱性函数考虑地震动的不确定性、土体与结构特性的随机性来评估各损伤状态的概率。需要对间接损失、交通网络冗余度和非地震方面进行定性评估,并基于脆弱性修正抗震等级。3)地震危险性评估方法。在给定地震危险性水平和因此造成的损坏状态下对交通网络进行直接分析,可通过交通流量来评估交通网络这种损坏状态对交通系统性能的影响(例如增加行车时间)。这个性能对桥梁条件的敏感性随后用于确定桥梁加固的必要性和加固顺序。非地震和社会经济因素的定性评估也是必须的。这是三种方法中最复杂的一种,也是最严格的一种方法,其最终结果的保守性最低。

4 桥梁地震易损性曲线的沿革和展望

地震中,常常由于桥梁本身受到的破坏,给抗震救灾工作的开展造成很大的困难。就比如2008年汶川大地震中,道路桥梁的损坏给抗震救灾官兵造成了很大的麻烦。因为过去对桥梁抗震重视不够和设防标准偏低,我国已建的大部分桥梁的抗震能力是很低的,开展桥梁的易损性研究工作十分必要。桥梁的地震易损性分析有利于抗震加固、灾后的响应计划、直接经济损失估计以及震后公路系统的功能评估,是防震减灾重要的基础性工作之一[9]。地震作用下桥梁的易损性分析一般用易损性曲线表示,理论易损性曲线是通过利用对桥梁进行分析得到的地震反应资料建立起来的。发展公路桥梁的易损性曲线,需要融合以下几方面:1)具有专业的判断能力;2)拟静力方法与设计规范相结合的一致分析;3)过去地震中得到的损伤数据的应用;4)基于结构动力地震响应的数值模拟。

4.1 经验易损性曲线沿革

基于过去地震中得到的桥梁损伤数据,可以得到桥梁的地震易损性曲线,这就是经验易损性曲线。我国在公路桥梁的地震易损性分析方面,采用的是专家调查的方式,由于其研究的样本量有限,使研究结果的可信度受到一定的限制。为了研究桥梁震害与地震动参数间的关系,发展经验易损性曲线,需要结构在地震中的实际损伤数据。而这些数据是通过地震观测仪器测得的。国际上得到的经验易损性曲线很多,例如Basoz&Kiremidjian基于Northridge地震后得到的桥梁损伤数据,采用回归分析建立的经验易损性曲线,Tanaka基于1995年神户地震中得到的桥梁损伤数据,假定易损性曲线为两参数正态分布的函数形式得到了经验易损性曲线等。经验易损性曲线来自实际震害和对应地震动参数的统计结果,结果可信度较高,然而它只是适用于特定的地震环境、场地条件、桥梁情况,难以推广使用,并且桥梁经验易损性曲线统计回归过程非常繁琐,适合于学术研究。因此应当寻求可信赖的桥梁易损性曲线的理论估计方法。

4.2 理论易损性曲线沿革

从桥梁地震响应分析得到的结果,可以得到桥梁的地震易损性曲线,这就是理论易损性曲线。要得到理论易损性曲线,需要考虑三个方面,即:地震动输入的模拟、对桥梁结构的模拟,以及如何获得桥梁的地震响应分析。而形成易损性曲线的过程中有几种典型的分析方法,用来获得桥梁的地震响应,如:反应谱分析、非线性静力分析、非线性时程分析、增量动力法分析等。从1994年起,Hwang&Huo,Kai&Fukushima等人对各种特定模型采用Monte Carlo模拟法进行易损性分析。由于Monte Carlo模拟法耗时太久,各国学者都在寻求简化方法,如Kai&Fukushima提出了一种利用频域内的随机振动理论来评估结构响应的易损性分析方法,Karim&Yamazaki建议了一种用数值模拟方法建立理论易损性曲线的方法,Singhal等采用贝叶斯原理分析结构的损伤程度,用得到的数据进行易损性评估,建立易损性曲线[10]。

在获得桥梁结构的理论易损性曲线后,可以再对桥梁在地震作用下的破坏状态进行评估和分析,这是目前大部分学者的研究方向,并且理论易损性曲线的研究大部分都是针对公路桥梁的,针对铁路桥梁的很少。理论易损性曲线目前正处于发展阶段,它的建模计算都非常繁琐,尽管出现了一系列简化方法,但计算量还是很大,有待于进一步完善。然而它的普遍适用性强,可以随时根据一座桥梁的实际情况建模计算,所以要将理论易损性曲线继续完善。

4.3 易损性曲线的展望

在遭受了惨重的经济损失后,世界各国都加强了对桥梁抗震易损性的研究。不仅建立了震区桥梁的经验易损性曲线,也通过理论分析手段,建立了其他一些地区典型桥梁的地震易损性曲线。尽管历经十几年的研究发展,但至今对于桥梁地震易损性分析仍然没有一套完全确切的科学方法。目前的分析中,一般采用PGA或SA来表征地震地面运动强度,尽管有些研究中表明结构反应作为峰值地面加速度或加速度反应谱的函数时,回归曲线与反应数据拟合得比较好,但要找到一个合适的纯地震动参数来表达结构反应和易损性曲线,需要开展进一步的研究。并且现在大多研究中采用的桥梁地震响应数据均以基阶模态为主,对高阶振型的研究尚应逐步加深。展望未来,易损性曲线这种方法必将会更加简化,更加能从理论研究着手,进入实践中来,并将应用到诸如桥梁结构健康检测等方面,对桥梁的抗震加固、交通安全、经济评估等方面都会做出更大的贡献。