橋梁易損性研究的回顧與展望

趙有澤

從2008年至今,全世界發(fā)生了多次駭人聽聞的大地震,比如2008年5月12日的中國汶川大地震,2010年1月12日的海地大地震,遇難人數(shù)甚多。地震頻發(fā),氣候異常,道路破壞,橋梁倒塌。越來越多的災害研究者和國際社會開始關(guān)注這樣一個問題:橋梁在地震面前是否變得更加易損或脆弱,易損性逐漸成為抗震學術(shù)研究的一個重要概念以及國際社會抗震減災策略的一個中心主題。橋梁的地震易損性分析有利于抗震加固,災后的響應計劃,直接經(jīng)濟損失估計,以及震后公路系統(tǒng)的功能評估。為了評估公路橋梁結(jié)構(gòu)的損傷水平(輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和倒塌),易損性曲線公認為是一種有用的工具[1]。本文試圖通過對橋梁易損性研究的回顧與展望,構(gòu)建橋梁易損性科學的一些基本理念,說明橋梁易損性分析在抗震研究和防災減災實踐中的積極意義。

1 橋梁易損性研究的由來

20世紀以來,盡管極端災害類地球物理事件爆發(fā)的頻率沒有顯著增加,但全球因災難造成的人類傷亡和物質(zhì)財產(chǎn)的損失卻顯著增加,這種現(xiàn)象是傳統(tǒng)的自然災害理解范式不能解釋的[2]。同時人們也發(fā)現(xiàn),類似強度的自然災害,在不同的社會經(jīng)濟背景下,其后果差異很大,比如發(fā)生在美國加里福尼亞和尼加拉瓜的地震其災情就大不一樣[3]。有一些社會學家在20世紀70年代就開始懷疑傳統(tǒng)的自然災害范式,而易損性曲線的研究也正是在這個時候開始萌芽。在20世紀70年代核電站的地震概率風險評估里,將機械和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)里的抗震能力以概率函數(shù)的形式表示出來。該函數(shù)以地面運動強度為參數(shù),通常采用PGA(峰值地面加速度),SA(譜加速度)和SI(譜烈度)作為地震動參數(shù),該函數(shù)可以反映出結(jié)構(gòu)能力和地震動參數(shù)所涉及的不確定性因素。

我國對房屋建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性分析取得了一定成果,但是對橋梁結(jié)構(gòu)的地震易損性分析卻仍然處于起步階段。一般而言,橋梁地震易損性分析的研究,討論的是形成易損性曲線的過程。有兩種方法可以得到結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線,一種是經(jīng)驗統(tǒng)計法,另一種是理論計算法。經(jīng)驗統(tǒng)計法得到的易損性曲線就是基于歷史震害資料,找出主要致災因素,然后通過數(shù)理統(tǒng)計得出反映影響因素輕重的量化值,最終判斷出橋梁在一定地震烈度下的震害概率;而理論計算法是將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)建模,并結(jié)合相關(guān)理論分析得出結(jié)構(gòu)破壞機制,主要包括規(guī)范校核法、Pushover法、計算屈服強度系數(shù)法以及大跨度橋梁的定性定量分析法,并且如果有可能,最終得到的易損性曲線應該用實際的地震數(shù)據(jù)來驗證。

2 易損性的含義

“易損性”一詞常常用于風險和災害研究文獻中,也逐漸成為全球變化、環(huán)境發(fā)展和地理學的重要詞匯[4]。從廣泛意義上看,橋梁易損性就是橋梁的潛在損失,然而這個語義并沒有清楚的表達描述的損失是什么類型,哪部分結(jié)構(gòu)將損失,或許是橋梁的疲勞損失,或許是風吹雨淋的潛在損失,或許是來自于地震等災害的損失,或是來自于交通過程的潛在損失。這就為橋梁易損性的理解留下了很大的空間。

許多災害研究者都對易損性表達過自己的見解,但這些定義差別很大,表述方式不同,讓人們無所適從。大體上他們的定義可以分為以下三類:第一類是寬泛的定義,也就是說:易損性是指易于遭受自然災害的破壞和損害[5]。這個定義最早出現(xiàn)在Burton等人編著的“環(huán)境災害”一書中,成為了易損性使用最廣泛的定義。第二類是Blaikie的定義[6],即易損性就是個人或群體預見、處理、抵御災害和從災害中恢復的能力的特征,它涉及到自然或社會災害威脅人們生活程度的各種因素。在災害背景下,社會中一些階層比另一些階層的人們更容易遭受到災害的破壞和損失,這些影響因素包括:社會階層、種姓、種族、性別、殘疾、年齡等。這類概念關(guān)注的主題是社會對災害的抵御和恢復能力,災害事件的性質(zhì)當作是已知的條件,它強調(diào)易損性的社會結(jié)構(gòu),注重分析影響人們處理災害能力的歷史、文化、社會和經(jīng)濟過程。易損性概念的第三類含義是指災害風險及其處理災害事件的社會和經(jīng)濟能力的綜合量度[7]。在這種用法中,災害易損性將災害危險的敏感性和人類對這種危險的響應能力結(jié)合起來,它相對應的概念是社會的恢復力。這一定義外延太廣,將災害風險包含在易損性概念之內(nèi),一般來說,災害風險和易損性是兩個概念,且多數(shù)人認為易損性只是災害風險的一個組成。

3 橋梁地震易損性分級方法

人們已經(jīng)提出根據(jù)交通量和繞行距離對橋梁的重要性進行分類,并且給出定量的重要性指標,這種定量方法不包括社會經(jīng)濟因素。在美國 1995年出版的報告《FHWA-RD-94-052》,即《公路橋梁抗震加固手冊》中,建議將橋梁分為兩類:重要性橋梁和一般橋梁[8]。重要性橋梁是指那些期望在地震后具有橋梁運營功能的橋梁,或期望地震后立即能夠開放的橋梁;此外的其他所有橋梁歸類為一般橋梁。所以,重要性的確定是主觀的,在作出這種判斷時,橋梁重要性的判斷取決于社會、生存和安全、防衛(wèi)等因素。

橋梁抗震易損性分級方法給結(jié)構(gòu)賦予一個結(jié)構(gòu)易損性指數(shù)(1～10)和一個地震危險性指數(shù)(1～10),并且同時考慮這些不同的指標,得到一個總的抗震等級。一些方法還用一個重要性指標去描述日車流量、交通網(wǎng)絡冗余度和社會經(jīng)濟環(huán)境,另外一些方法采用定性的度量指標來考慮這些因素。下面歸納了三種方法進行橋梁地震易損性分級:1)指數(shù)法(FHWA,1995年)。用指數(shù)描述結(jié)構(gòu)易損性和危險性水平,然后合并這兩個指數(shù),對每一座橋給出唯一的等級。指數(shù)的范圍從0～10,并且給予保守的、半經(jīng)驗的準則。通過這個等級來確定加固優(yōu)先順序,這個等級綜合了重要性、交通網(wǎng)絡冗余度、非地震因素和社會經(jīng)濟因素的定性評估,然而這種方法的不足是對一些固有的不確定因素用主觀的標準予以考慮。這種方法是三種方法中最簡單的方法,但也是最保守的方法。2)預期損傷法。這個方法在相同的地震下對每一座橋梁做嚴格的預期損傷比較。關(guān)于損傷程度的量測,要么通過持續(xù)的損傷狀態(tài),要么直接估計經(jīng)濟損失。預期損傷(或損失)最嚴重的橋梁其優(yōu)先加固等級也最高。通過脆弱性函數(shù)考慮地震動的不確定性、土體與結(jié)構(gòu)特性的隨機性來評估各損傷狀態(tài)的概率。需要對間接損失、交通網(wǎng)絡冗余度和非地震方面進行定性評估,并基于脆弱性修正抗震等級。3)地震危險性評估方法。在給定地震危險性水平和因此造成的損壞狀態(tài)下對交通網(wǎng)絡進行直接分析,可通過交通流量來評估交通網(wǎng)絡這種損壞狀態(tài)對交通系統(tǒng)性能的影響(例如增加行車時間)。這個性能對橋梁條件的敏感性隨后用于確定橋梁加固的必要性和加固順序。非地震和社會經(jīng)濟因素的定性評估也是必須的。這是三種方法中最復雜的一種,也是最嚴格的一種方法,其最終結(jié)果的保守性最低。

4 橋梁地震易損性曲線的沿革和展望

地震中,常常由于橋梁本身受到的破壞,給抗震救災工作的開展造成很大的困難。就比如2008年汶川大地震中,道路橋梁的損壞給抗震救災官兵造成了很大的麻煩。因為過去對橋梁抗震重視不夠和設防標準偏低,我國已建的大部分橋梁的抗震能力是很低的,開展橋梁的易損性研究工作十分必要。橋梁的地震易損性分析有利于抗震加固、災后的響應計劃、直接經(jīng)濟損失估計以及震后公路系統(tǒng)的功能評估,是防震減災重要的基礎性工作之一[9]。地震作用下橋梁的易損性分析一般用易損性曲線表示,理論易損性曲線是通過利用對橋梁進行分析得到的地震反應資料建立起來的。發(fā)展公路橋梁的易損性曲線,需要融合以下幾方面:1)具有專業(yè)的判斷能力;2)擬靜力方法與設計規(guī)范相結(jié)合的一致分析;3)過去地震中得到的損傷數(shù)據(jù)的應用;4)基于結(jié)構(gòu)動力地震響應的數(shù)值模擬。

4.1 經(jīng)驗易損性曲線沿革

基于過去地震中得到的橋梁損傷數(shù)據(jù),可以得到橋梁的地震易損性曲線,這就是經(jīng)驗易損性曲線。我國在公路橋梁的地震易損性分析方面,采用的是專家調(diào)查的方式,由于其研究的樣本量有限,使研究結(jié)果的可信度受到一定的限制。為了研究橋梁震害與地震動參數(shù)間的關(guān)系,發(fā)展經(jīng)驗易損性曲線,需要結(jié)構(gòu)在地震中的實際損傷數(shù)據(jù)。而這些數(shù)據(jù)是通過地震觀測儀器測得的。國際上得到的經(jīng)驗易損性曲線很多,例如Basoz&Kiremidjian基于Northridge地震后得到的橋梁損傷數(shù)據(jù),采用回歸分析建立的經(jīng)驗易損性曲線,Tanaka基于1995年神戶地震中得到的橋梁損傷數(shù)據(jù),假定易損性曲線為兩參數(shù)正態(tài)分布的函數(shù)形式得到了經(jīng)驗易損性曲線等。經(jīng)驗易損性曲線來自實際震害和對應地震動參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果,結(jié)果可信度較高,然而它只是適用于特定的地震環(huán)境、場地條件、橋梁情況,難以推廣使用,并且橋梁經(jīng)驗易損性曲線統(tǒng)計回歸過程非常繁瑣,適合于學術(shù)研究。因此應當尋求可信賴的橋梁易損性曲線的理論估計方法。

4.2 理論易損性曲線沿革

從橋梁地震響應分析得到的結(jié)果,可以得到橋梁的地震易損性曲線,這就是理論易損性曲線。要得到理論易損性曲線,需要考慮三個方面,即:地震動輸入的模擬、對橋梁結(jié)構(gòu)的模擬,以及如何獲得橋梁的地震響應分析。而形成易損性曲線的過程中有幾種典型的分析方法,用來獲得橋梁的地震響應,如:反應譜分析、非線性靜力分析、非線性時程分析、增量動力法分析等。從1994年起,Hwang&Huo,Kai&Fukushima等人對各種特定模型采用Monte Carlo模擬法進行易損性分析。由于Monte Carlo模擬法耗時太久,各國學者都在尋求簡化方法,如Kai&Fukushima提出了一種利用頻域內(nèi)的隨機振動理論來評估結(jié)構(gòu)響應的易損性分析方法,Karim&Yamazaki建議了一種用數(shù)值模擬方法建立理論易損性曲線的方法,Singhal等采用貝葉斯原理分析結(jié)構(gòu)的損傷程度,用得到的數(shù)據(jù)進行易損性評估,建立易損性曲線[10]。

在獲得橋梁結(jié)構(gòu)的理論易損性曲線后,可以再對橋梁在地震作用下的破壞狀態(tài)進行評估和分析,這是目前大部分學者的研究方向,并且理論易損性曲線的研究大部分都是針對公路橋梁的,針對鐵路橋梁的很少。理論易損性曲線目前正處于發(fā)展階段,它的建模計算都非常繁瑣,盡管出現(xiàn)了一系列簡化方法,但計算量還是很大,有待于進一步完善。然而它的普遍適用性強,可以隨時根據(jù)一座橋梁的實際情況建模計算,所以要將理論易損性曲線繼續(xù)完善。

4.3 易損性曲線的展望

在遭受了慘重的經(jīng)濟損失后,世界各國都加強了對橋梁抗震易損性的研究。不僅建立了震區(qū)橋梁的經(jīng)驗易損性曲線,也通過理論分析手段,建立了其他一些地區(qū)典型橋梁的地震易損性曲線。盡管歷經(jīng)十幾年的研究發(fā)展,但至今對于橋梁地震易損性分析仍然沒有一套完全確切的科學方法。目前的分析中,一般采用PGA或SA來表征地震地面運動強度,盡管有些研究中表明結(jié)構(gòu)反應作為峰值地面加速度或加速度反應譜的函數(shù)時,回歸曲線與反應數(shù)據(jù)擬合得比較好,但要找到一個合適的純地震動參數(shù)來表達結(jié)構(gòu)反應和易損性曲線,需要開展進一步的研究。并且現(xiàn)在大多研究中采用的橋梁地震響應數(shù)據(jù)均以基階模態(tài)為主,對高階振型的研究尚應逐步加深。展望未來,易損性曲線這種方法必將會更加簡化,更加能從理論研究著手,進入實踐中來,并將應用到諸如橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測等方面,對橋梁的抗震加固、交通安全、經(jīng)濟評估等方面都會做出更大的貢獻。

5 結(jié)語

本文回顧了橋梁易損性研究的由來、含義、分級方法和沿革,也對其不足作出了一點評論并作出了展望。橋梁易損性研究與應用主要集中在抗震方面,在其他領(lǐng)域尚在探索中,其發(fā)揮作用尚有很大的潛力。

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[7] K.Smith.Environmental Hazards:Assessing risk and reducing disaster[M].London:Routledge,1992.

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[9] 陳 亮.鋼筋混凝土橋梁地震易損性分析方法[J].上海公路,2007(20):7-9.

[10] 姜紹飛,楊 博,黨永勤.易損性分析在結(jié)構(gòu)抗震及健康檢測中的應用[J].建筑科學與工程學報,2008(10):20-22.