大型桥梁多点激励效应的研究现状与发展

刘小宁

摘 要：目前我国的桥梁建筑抗自然灾害等级在逐渐提升，地震作为我国部分地区常见的一种危害性较大的自然灾害，在给人民的生命财产带来损失的同时也对建筑产生了不可逆的破坏。随着我国已进入交通强国阶段，桥梁的建设不仅仅为了沟通河道两岸居民的来往，更是要作为抗自然灾害建筑在当危险发生时，尽可能保障在桥梁上人民和车辆的安全，多点激励效应在桥梁施工中也被广泛应用，本文就此展开讨论，对研究现状和发展趋势进行阐述分析。

关键词：大型桥梁;多点激励效应;桥梁与隧道工程

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.069

0 引言

欧亚地震带和环太平洋地震带在我国交织，由于我国国土长期受到菲律宾海板块和印度洋板块及太平洋板块的多重挤压，由于台湾、西南部分地区、华北部分地区地理位置在地震带上，一些地区一年内就可能会发生十几次甚至几十次大小不一的地震，由于桥梁往往是连接川江河流的纽带，和房屋建筑一样，桥梁在修建时也要充分考虑地震所带来的不利影响，和排水抗腐蚀等性质类似，由于强地震可能会直接导致桥梁完全垮塌，且我国的桥梁抗震修建标准也在随着社会科技的进步而不断完善中，但仍有大量年久失修的桥梁在地震中毁坏，由此在修建新的大型桥梁时，建筑者往往通过多点激励效应开展桥梁的施工，不但可以提升桥梁整体的使用寿命，还可以给修建其他建筑在抗震性上予以启示。

1 大型桥梁多点激励效应的研究现状

中国在改革开放后，几十年前技术不发达的时候使用单一标准的设计理念进行施工，在当时的施工理念下，修建的大型桥梁一般只可以应对小型地震保证不垮塌，中大型地震发生后，桥梁在一定程度下被破坏在当时是允许的。在2008年汶川地震发生后，国家相关部门对之前的桥梁施工抗震细则进行了一次修订，在技术要求上比原来严格了一些，地震的重现期也由原标准的几百年使用寿命延长到了几千年，在提高使用年限的基础上，对细节问题也有了新的要求，督促施工者要重视自然灾害给桥梁带来的损伤。

在当前的施工中，一般通过物理学的相关知识，以动制静，使用反应谱法计算可以起到一定的避震情况预估，缺点则是计算过程过于庞杂，冗余性强，但由于计算存在一定误差，计算过程过于复杂，在当前的施工前期计算过程中，方法显得有些过时。反应谱计算由于需要用到叠加原理，桥梁也不仅仅局限于线性结构，而是多线组成的立体结构，另外桥梁的各个支座也未必受到相同的震动影响，因此结论的获得存在一定的主观性，后续又有人提出使用时程分析法来对每一秒桥梁的各个部位的受损情况进行记录，可以得出桥梁在地震过程中的受损情况简要分析的结论，也可以使用相关的运动法则，通过建立立体的多维坐标系，列出在发生地震时，大桥所承受的反应动力平衡方程的方式进行压力预估，利用分块矩阵的方法根据支座节点、非支座节点列出刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵的函数，并推导出动力位移的大小和拟静力的变量大小，通过上述计算可以得出在受到地震影响时，对大桥的损伤程度可以起到一个预判的作用。

由于桥梁在修建时，需要充分考虑桥梁的弹塑性，即在受到地震波冲击后，桥墩表面是否会被地震波弹起，弹塑性在一定时间内的高度曲线是一种类似于几何线性图形的不规则弧线，由于这个过程中，桥梁还存在一定的弹性阻尼，就好比弹簧在受到外力时，根据受力程度的大小弹簧可能会被弹到不同的高度一样，桥梁弹起的过程还需要考虑桥梁的刚度和延展性，在前期图纸测绘阶段，也是需要注意的细节。

目前我国桥梁施工中，一般是通过加强柔性的方式来达到减震的目的，此期间，结构的自振周期得到了一定延长，让地震所产生的动力荷载值大幅降低，进而让能量消耗减少，由于整个过程可以看作将动能转化为静态势能，桥梁结构所承载的动力在此时得到了降低，降低了桥梁的塑性，充分降低了桥梁的受损程度。

2 大型桥梁多点激励效应的总结发展趋势

由于大型桥梁主要有以下几种类型：

一是铁索桥，铁索桥一般横跨于江上，由藤蔓竹索编织而成，在我国的一些旅游景区或是交通不便利的地方有修建，一般只能让人通过，由于铁索桥具有一定的柔性，在遇到地震的时候，会受到较大的冲击影响，由于铁索桥的损毁会在一定程度上给交通不便地区的村民出行带来困难，同时部分低素质的游客在铁索桥上大力摇晃绳索也会让桥体摇摇欲坠，且由于铁索桥的修建成本不是很高，且具有一定的危险性，目前我国已不再将修建铁索桥当作桥梁建筑的重点。国内外也有一些学者曾对一处著名的铁索桥进行多点激励效应分析，这些学者专家普遍发现，在建立多维空间坐标系的环境下，一致激励对铁索桥的抗震性是不利的，随着跨度的不断加大，与此同时还会产生一些没有规律性的差异，相位差容易影响铁索桥的摇晃程度，同时拟静力对铁索桥的分量影响不大。

二是常见的大型桥梁，是斜拉桥，比如上海的南浦大桥，作为上海市第二座横跨黄浦江的大桥，通过连接浦西陆家浜路和浦东南码头来让上海市的浦江两岸居民能够更快捷出行，此桥使用叠合梁技术，全长八千多米，分为主桥、主引桥、分引桥三部分，承受能力为六万吨，塔柱中间处由两根拱梁紧密连接，由于桥梁的跨度比较大，相位差效应会对在受地震影响的桥梁而言具有一定的优势，由于漂浮体系在修建斜拉桥的过程中被广泛利用，对塔吊的底部和让位移降低到极值有好处，在行波效应的作用下，可能会对主承载的受力程度加大多倍，因此需要在修建斜拉桥时，需要注意所产生的行波效应而带来的不利影响。

三是常见的大型桥梁就是拱桥了，比如赵州桥就属于上承型拱桥，由于拱桥一般由石质雕砌，由于地震一般是突发事件，即便在地震台接收到地震警报后，往往很多群众也不能第一时间做出应急反应，因此当地震产生后，地震波的次生影响可能会直接摧毁拱桥的建筑結构，一般在修建过程中由于非一致性的激励效果可能会产生一系列的不良影响，在内部往往会催发能量的转化，由于地震波是输入性的，且具有一定的波长和波形结构，在发生地震的时候，相位差会与地震前相比有明显的变化值。

根据对以上三种桥梁的简要分析，得出结论：大型桥梁具有一定的场地效应，由于与大桥的具体参数密切相关，比如桥墩的高度可能会影响桥梁随着地震而波动的频率。同时使用多点激励效应以后，不仅会改变桥梁的承载结构，抗地震等级、跨径布置程度，同时如果桥梁的整体建筑面积比较大，还需要考虑空间耦合性给桥梁建设带来的影响，一些钢结构的桥受地震影响的主要因素可能是建筑支座的跨径和地形，尤其是大桥建立在山区的时候，应该还需要考虑山体滑坡等地质灾害与地震共同影响下的最佳桥梁结构。

3 大型桥梁多点激励效应的发展趋势

由于在发生地震以后，震动往往是在某个震中周围方圆若干公里内的多维度建筑物联动所影响的，然而在对桥梁施工建造时，只会考虑当地震波波及桥梁内部结构后，桥梁是否会发生一系列的波动，由于在修建桥梁时，选用何种混凝土或是何种结构，抑或者，因此需要在日后修建桥梁前，可以通过预先做模拟实验的方式来模拟当地震发生时的情景，进而可以預估一些常见问题，并将具体细则制定到对应的施工安全管理文档中。

目前，由于我国的建筑风格与其他国家存在一定差异，同时即便是在国内，不同地区因为有不同的风土人情，所在的地理位置受地震的影响程度也各不相同，因此大型桥梁建筑在我国存在较为明显的差异性，但是国内目前对桥梁有关抗震的相关研究还处于萌芽期，由于缺少相关理论性的政策，就会让施工效果具有一定的因人而异性。因此在桥梁施工领域，可以由相关的管理部门牵头，撰写出一份具有可持续发展性的建筑规则来让后人可以加强对桥梁抗震的重视程度。

同时，由于目前通过反应谱计算相关数据的方法仍在广泛利用，此种计算方法具有一定的随机性和不精确性，因此需要相关的科研人员研制出一套具有更精确的计算方法能够使用机器学习或人工智能的方式进行建模的方法，可以在总结我国典型建筑物的基础上，结合当地的地形实际，开展施工前的筹划工作。

4 结束语

我国的古人就对桥梁深有研究，由于古代也存在地震，地动仪的发明向人们阐释地震的原理的同时，作为现代的桥梁从业人员，则需要根据当今时代的研究成果和历次大地震中桥梁的损毁情况进行总结分析，在拥有一系列建筑经验的基础上，应争取为了夺取更壮丽的当代建筑史诗级别作品而不懈奋斗。

参考文献

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