桥梁抗震实验方法的发展

摘要：结构抗震研究方法有两种，即理论分析和结构试验。两者密切相关，互相促进，抗震理论为实验方法提供指导，而结构实验则对理论进行验证和认可。因此，抗震实验方法是实验成败的关键

关键字：桥梁抗震 实验方法 反应谱 抗震模拟

近几年在世界范围内发生了比较大的地震，人们对地震的认识程度也越来越高，地震理论的发展也有很大的提高，已经到概率弹塑性设计阶段，但是当地震发生时地震作用的不确定性及复杂性，地震参数的很多影响因素全考虑进去是不太可能，结构抗震中的复合受力问题十分复杂，目前还没有建立起理想的分析模型。尽管理论上可以通过数学解析的方法求解,确定一个结构在给定的地震力或其他动力作用下的反应问题,但是, 诸如振型、能量逸散、及自振周期这些结构动力学的特性或者延伸性、结构塑性角长度、结构极限强度等这类结构动力学问题, 这些动力学问题是由材料的属性、许多细部构造以及结构形式决定的,理论分析法很难去解决这类问题。而实验是一种较为直接，直观的方法，在解决抗震理论中显得尤为重要，因此实验仍然有独特而不可替代的重要性。在抗震试验中，结构实验是结构工程发展的基础，目前，桥梁抗震的结构理论与桥梁的设计对实验依赖还是很大。近几年，我国大型桥梁的建设进入了一个飞速发展期，特别是超出抗震设计规范规定的结构、大型复杂结构、以及新型结构体系都在桥梁体系中出现，而这些理论在目前还不成熟，这些结构只能依靠实验的精度程度，传统的计算模型已经不满足，且也很难以满足精度的要求，因此如何保证结构工程的安全可靠成为实验方法和技术面临的挑战。

目前所有的结构抗震设计理论的发展大致经历了四个阶段：静力理论、反应谱理论、直接动力分析理论和还在研究中的概率弹塑性理论，抗震实验方法在这四个阶段中都有不同的发展阶段。

1、静力实验方法

20世纪20-40年代，日本的大森房吉教授首先提出了结构抗震的静力理论，他也是第一个试图提出在地震作用下结构的完整计算理论的人。静力理论是当结构受到地震作用时，结构假定为绝对的刚体，并且结构只在水平方向震动。在任何瞬间，结构上各点的加速度都相等，在结构上的分布的惯性力与质量分布上的惯性力成正比，桥梁结构上所受的地震力就等于地震载荷力与一个地震系数的乘积。

在实际地震力作用下，静力理论却忽视了其有关的动力特性以及实际结构的弹性性质，这种方法虽然很简单，但与实际情况相差较大，结果不理想。一个最简单的反例就是日本兴业银行的例子，这栋房屋受到比设计用的侧力相对应的加速度大5倍的地震加速度却仍然没有损坏。

在这里时期，拟静力加载实验方法开始实施，拟静力加载实验大部分都是选择单调加载的方式，在较多的实验较过程中，由于桥梁墩柱结构疲劳问题的增多，加载的方式开始采用循环加载方式。这一时期抗震实验研究的主要工作还是集中在对整体结构动力特性方面，并揭示了连接件的强度和刚度的退化特性。

2、动力测试和现场实测阶段

20世纪40年代，反应谱理论开始出现，它是将地震波作用于单质点体系时，取单质点振动体系的周期与速度、位移和加速度反应的最大值与之间的关系。反应谱理论充分的加入了结构的弹性性质，它利用结构动力学的振型分解方法，将结构转化成单质点体系的叠加，每一单质点体系就代表一个振型。这种方法优于了静力法。

起初反应谱法是由M.Biot提出，而后G.W.Housner采用了Olimpia地震波、Taft地震波和EL-Centro地震波，提出了平均地震反应谱的概念，使得这一方法得以实现。G.W.Housner的反应谱理论采用了大量强震观测数据，并且能够简单而正确地反映地震作用的特性，因此在国际上得到了广泛的应用，结构抗震设计理论得到了的巨大的发展。

反应谱理论也存在他自身的缺陷：虽然结构的动力特性得到了考虑，但在结构设计中，地震力仍然是被作为静力来对待。因此它只能称为准动力理论。由于在制作反应谱的过程中，没有充分的考虑地震来临所持续的时间对结构破坏的影响，只考虑了地震动的振幅和频谱两种因素。反应谱局限性在于结构是以弹性理论为基础的，而结构在强震作用下，非线性工作状态下却无法反映。尽管目前已经有学者提出了弹塑性反应谱方法，但由于结构非线性问题的具有一定的复杂性，距实际应用还存在很大的差距。反应谱与结构动力特性之间有着密切的关系，为了准确地得到结构的振型、阻尼和频率，这一阶段的实验工作主要是结构的动力特性测试。另一方面，以结构、变形能力和构件的极限强度等方面的实验开始受到重视，主要是因为地震后结构的破坏造成了结构的阻尼变大，自振周期变长。

3、地震模拟实验阶段

大量的结构地震反应的记录和地震动记录都是在随着强震观测水平的提高下进行的，这为直接将实际地震记录输入到结构中进行地震反应分析提供了先决条件。实验技术的发展和计算机技术的发展，直接推动了地震模拟实验的发展，地震作用下的加速度是不能用数学公式所表达，因此，结构的动力方程组是无法通过解析的方法来求解的。为了求解各个时刻的结构地震反应，只能采用离散化的数值积分方法，但是这种方法计算工作量非常大，这项工作只能在计算机上才能完成。

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