賈宏宇，楊 健，鄭史雄，趙燦暉，杜修力

（1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081；3.北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124）

近年來，滇西北、藏東南、川西以及東南沿海的公路和鐵路交通網絡的飛速發(fā)展，使得新修建橋梁數量和密度大幅度增加.新建川藏鐵路雅安至林芝段起于成雅鐵路雅安站，止于在建拉薩至林芝鐵路林芝站，新建正線長度995.92 km.其中新建橋梁146.88 km，共98 座，占線路長度14.75%.川藏鐵路自東向西高程快速抬升，發(fā)育有鮮水河、巴塘、嘉黎等8 條活動斷裂帶，存在龍門山、鮮水河、理塘—雅江、瀾滄江、八宿—怒江等12 個潛在震源區(qū)[1].在綜合考慮地形地貌、道路規(guī)劃、工程成本、建設周期和區(qū)域經濟發(fā)展等制約條件的基礎上，活動斷層上修建橋梁已成為工程建設中不可回避的問題[2].在各國規(guī)范中，跨越活動斷層修建橋梁被禁止或采取繞避的辦法.然而，隨著川藏鐵路工作的推進，跨越斷層修建橋梁將不可避免，且將來在斷層上修建橋梁可能會成為常態(tài).國內外可供借鑒的跨斷層橋梁設計經驗甚少[3]，其中2004 年建成通車的Rion-Antirion橋是世界上第一座跨斷層橋梁.2019 年3 月18 日，我國第一座跨越活動斷層的特大橋（海文大橋）運營通車.在綜合考慮總體線路、造價和工期等各種因素后，橋梁跨越活動斷層的修建方案被采納[4].另外，已明確的跨斷層或非常接近斷層的橋梁占所有橋梁總數的5%，占比之重，因此，跨斷層橋梁在整個橋梁網絡中具有舉足輕重的作用.美國加利福尼亞州地震頻發(fā)，跨斷層橋梁較多[5].同樣，我國地震頻發(fā)，斷裂帶分布廣，跨斷層橋梁數量多.規(guī)范的避讓措施造成跨斷層橋梁未受足夠重視，加之斷層擴展和發(fā)育難以預測，這些原因造成了我國對跨斷層橋梁研究較少.未來我國跨斷層橋梁數量可能會劇增[6-7]，其原因有：1）經濟的發(fā)展促使交通向偏遠、高烈度區(qū)輻射，增加了跨斷層橋梁出現的概率；2）斷層破裂過程復雜，空間和時間的變異性難以控制；3）斷層探測技術的局限性，主斷層易于探明，但是次生斷層難于預測，造成跨越次生斷層的橋梁被認為非跨越斷層.因此，在橋梁建設中，跨斷層橋梁數量多，作用重大，跨斷層橋梁的抗震設計是橋梁建設中必須解決的問題.

斷層相對錯動造成跨斷層橋梁在斷層兩側的支撐處具有不同的地面運動.同時，斷層相對錯動也隨之產生了地表破裂永久位移[8-9].橋梁的內力和位移響應不僅受斷層兩側不同的地面運動影響，也要受到斷層地表破裂永久位移的影響[10].這也是跨斷層橋梁與其他橋梁受地震作用的顯著區(qū)別.歷次地震發(fā)現斷層間相對永久位移對橋梁結構地震響應產生較大影響，甚至可能導致橋梁垮塌[5].因此，斷層處地震動具有明顯的地震動空間性.多點地震激勵模型采用相對動力位移和擬靜力位移分別模擬斷層兩側地面振動和斷層永久地面位移，能真實反映斷層處地震動的空間性[11].對于跨斷層橋梁采用多點地震激勵的地震輸入模式是非常合理和必要的[12-13].然而，針對不同形式的橋梁結構，地表永久位移對其內力和位移的影響是不同的.對于柔性結構，擬靜力位移考慮的永久地表位移影響相對較小，這類結構主要受地面振動的相對動力位移控制[14].對于剛度較大的結構，永久地表位移將會對結構內力響應產生較大的影響，甚至引起垮塌[15].另外，跨斷層橋梁還受斷層位置、斷層與橋梁相交角度、速度脈沖效應和上盤效應等因素的影響[16]，跨斷層橋梁的抗震分析需要進行專門研究.

目前，跨斷層橋梁抗震研究主要集中在以下方面：1）地震動輸入方面，正確斷層地震動輸入是確保結構響應準確的先提條件，諸多學者研究了斷層面兩側附近場地實測地震波特征，但因跨斷層實測地震波相對較少，隨后發(fā)展了跨斷層處人工地震波合成技術[17-18].隨著斷層處實測地震波的增加，更多學者采用基于多段函數基線校正的方法來處理斷層地震動，消除實測波中各種噪聲.也消除基礎偏移帶來的影響，并有效保留地震波原有的頻譜特性，最重要的是能保留斷層處永久地面位移[19-20].地表永久位移是斷層處地震動與遠場地震的最大差別之一.2）簡化計算方法方面[21-22]，反應譜法、時程分析法和隨機振動法等傳統(tǒng)方法是否能直接應用到跨斷層橋梁抗震分析中是學者討論的問題.學者從抗震設計角度出發(fā)，研究了簡化計算方法在跨斷層橋梁動力的峰值響應，其結果能滿足工程需求.

地處高烈度區(qū)的中國西部城鎮(zhèn)，其路網的發(fā)展使跨斷層橋梁數量越來越多，但是跨斷層橋梁在斷層地震作用下的受力特點、破壞模式和倒塌機理仍缺乏認識，更缺乏指導跨斷層橋梁抗震設計的具體說明和規(guī)范.鑒于此，本文在收集、歸納和分析跨斷層橋梁的震害資料基礎上，總結其破壞機理和抗震設計要點.研究成果為改進橋梁抗震設計理論、擬訂跨斷層橋梁抗震規(guī)范以及跨斷層橋梁防倒塌措施提供參考.對跨斷層橋梁未來研究方向給出建議，供學者們研究討論.

1 斷層類型及特征簡介

1.1 斷層類型

斷層是地殼巖石受力且超過其承載能力而發(fā)生斷裂，沿破裂面兩側巖塊發(fā)生顯著相對位移的構造.斷層分為正斷層、逆斷層和平移或走滑斷層.

1.2 斷層地震動特征

根據歷年斷層地震動對跨斷層橋梁結構破壞資料的統(tǒng)計分析[23]，通過地震震源過程的反演和斷層地震動的數值模擬[24-27]，斷層地震動的基本特征有：

1）上盤效應[28-33]

強震觀測記錄研究表明，在斷層距相等的范圍內，上盤觀測點A的地震動峰值（包括加速度峰值、速度峰值和位移峰值）大于下盤，且上盤場地各點反應譜值也大于下盤.但是，下盤地震動持時長于上盤.在距離斷層地表跡線距離（斷層距L）相同的兩個觀測點，上盤點A較下盤點B到發(fā)震斷層面的距離要小，即R1

圖1 上盤效應（幾何表示）Fig.1 Hanging wall effect (geometric representation)

2）滑沖效應[34-37]

地震過程中靜力形變場使得斷層某一方向位移時程中含有的永久性地表位移被稱為滑沖效應（Fling step）（圖2、3）.滑沖效應發(fā)生在斷層滑動的方向，走滑斷層時其方向與斷層走向平行，傾滑斷層時斷層走向與之垂直.

圖2 斷層類型及特征Fig.2 Fault types and characteristics

3）破裂方向效應[16,33,38-40]

破裂方向效應是斷層破裂以近似剪切波速的速度朝著特定場地傳播與發(fā)震層沿相同方向傳播的剪切波相互作用.據不同的斷層破裂和滑動方向，破裂方向效應分為向前和向后方向性效應兩種（圖4）.

4）速度脈沖效應[18,41-42]

速度脈沖效應是指在近斷層地震動速度時程中含有較長周期的高能脈沖型運動.速度脈沖來源于破裂方向性和滑沖效應兩個方面.破裂方向性效應引起的地震動雙向速度脈沖斷層傾角較小時表現在垂直斷層面的方向上，斷層傾角較大時則在垂直斷層走向的方向上.另外，滑沖效應引起的單向速度脈沖表現在平行斷層滑動方向上.因此，引起垂直斷層面的方向上速度脈沖的破裂方向性效應和引起斷層的滑動方向上速度脈沖的滑沖效應組成了斷層速度脈沖效應.對于走滑斷層，速度脈沖主要體現在破裂方向性效應引起的垂直分量和滑沖效應引起的平行于斷層走向分量.相對走滑斷層，傾滑斷層速度脈沖較為復雜，垂直斷層面方向的速度脈沖分量同時受破裂方向性效應和滑沖效應控制（圖4）.

圖4 逆沖斷層破裂方向性Fig.4 Directivity and sliding effect in thrust fault mechanism

圖3 1999 年臺灣集集地震TCU084 臺站記錄的UNE 三向滑沖效應（U：豎向；N：北；E：東）Fig.3 Sling step effect in UNE directions recorded by TCU084 station in Jiji earthquake in Taiwan,1999 (U：vertical;N：north;E：east)

綜上所述，斷層地震具有顯著的上盤效應、滑移效應、破裂方向性效應、速度脈沖等特征.斷層地震這些特征對各種橋梁結構的動力響應的影響較為復雜，需要大量的震害分析、理論研究、試驗研究和數值分析等方法來探究斷層地震對橋梁的破壞機理，有效減隔震措施，進一步保障跨斷層橋梁的安全性.

2 跨斷層橋梁破壞及分析

歷年地震災害調查發(fā)現，跨斷層橋梁破壞嚴重[5,41]，輕則造成跨斷層橋梁局部損傷，重則引起落梁甚至倒塌.本文以早期跨斷層橋梁抗震研究為基礎[42-45]，總結分析了跨斷層橋梁破壞原因，為后續(xù)跨斷層橋梁相關研究提供參考.

2.1 舊金山地震（1906，矩震級Mw=7.8，加利福尼亞）

1906 年美國舊金山地震中，奧爾德溪大橋（Alder Creek Bridge）由于斷層從靠近西南一側橋臺附近穿越，且地震造成的斷層軌跡的水平錯位較大，從而導致該橋在地震中倒塌.帕哈羅河橋（Pajaro River Bridge）是一座跨越活動斷層的五跨曲線鋼桁架鐵路橋，斷層以45° 角度從該橋3 號墩下穿過，地震造成地表破裂從而導致墩頂混凝土開裂和墩梁之間相對位移增加，也使梁體偏離2 號橋臺大約1.1 m[46]（圖5，圖中：A2 表示2 號橋臺，P1 表示1 號橋墩，余同）.另外，位于瓜拉拉河（Gualala River）上一座木橋和俄羅斯河（Russian River）上的舊橋也因為跨越地震斷層受到嚴重破壞.

圖5 帕哈羅河橋（單位：m）Fig.5 Pajaro River Bridge (unit：m)

2.2 唐山地震（1976，Mw=7.8，河北）

1976 年唐山地震中，豐南縣稻地村橋跨越活動斷層，地震使得第一孔相對于初始設計位置縮短了0.7 m.同時，斷層地表永久位移使第二孔相對位移增加和橋墩傾斜，導致落梁破壞（圖6）.此外，滏陽河后辛莊橋因斷層從第二孔中間穿越，地表永久位移導致兩墩之間相對位移過大，發(fā)生落梁破壞（圖7）.

圖6 豐南縣稻地村橋Fig.6 Daodi Bridge in Fengnan county

圖7 滏陽河后辛莊橋Fig.7 Hou xin zhuang Bridge in Fuyang river

2.3 土耳其地震（1999，Mw=7.4，科卡利）

1999 年土耳其地震中，位于亞達帕扎里市（Adapazari）附近的跨歐洲高速公路上的阿里菲耶高架橋（Arifiye Overpass）是一座4 跨斜交U 型簡支梁橋，全長104 m.阿里菲耶高架橋采用板式橋墩.橋墩和橋臺由現澆鋼筋混凝土樁支撐.斷層軌跡與縱橋向夾角為65°，地震造成最北端的橋梁完全倒塌，其他三跨也落梁，最終造成一輛過路公共汽車上10 名乘客死亡[45,47].位于阿里菲耶高架橋東邊1 km 遠的一號高架橋是一座兩跨簡支預應力橋，采用板式橋墩，斷層從東南側的橋臺穿過，造成了彈性支座5 cm 剪切變形，全橋破壞不大.位于阿里菲耶天高架橋東邊400 m 遠的2 號高架橋采用4 跨簡支和板式橋墩的結構形式，斷層從東北邊的橋臺穿越，梁體與橋臺發(fā)生碰撞導致胸墻破壞，彈性支座在橫向方向產生了2.5 cm 剪切變形；4 號高架橋位于阿里菲耶天高架橋西邊400 m，4 跨簡支橋梁，采用板式墩，因地表破裂造成西南側橋梁發(fā)生小的破壞[47].5 號橋薩卡里亞中心橋（Sakarya Center Bridge）總長92 m，8 跨（10 m+6×12 m+10 m）簡支鋼橋，采用鋼樁.因斷層貫穿西邊橋臺，地震中橋完全垮塌[48]（見圖8）.

圖8 阿里菲耶高架橋Fig.8 Arifiye Overpass

2.4 集集地震（1999，Mw=7.6，臺灣）

烏石大橋（Wu-Shi Bridge）位于3號省道的210 km+317 m 處，是一座約長625 m、雙向18 跨的簡支預應力混凝土工字梁橋（圖9（a）），采用板式墩（東橋）和獨柱墩（西橋）加沉箱基礎的結構形式（圖9（b））.東橋除了P3E、P9E 和P15E 墩外，其他由兩個較小的橋墩和一個橋墩墻連接而成.斷層破裂方向為N60°E，正好從墩P2 和P3 中間以相交40° 角度穿過（橋軸線方向為N20°E）.經詳細地形測量之后，斷層蹤跡與墩P3W 和P3E 相交，且在這兩墩周圍形成小的地面破裂.在烏石橋的東側，次斷層線重新與另一條從河谷向北延伸的斷層線連接（圖9（c））.東西兩幅橋經歷不同的空間地震，破壞形式不一樣.東橋D1E 和D2E 兩跨倒塌，D3E 跨向西的錯位.由于板式墩具有強的抗剪能力，所以未出現剪切破壞，P3E 墩出現彎曲裂縫和鋼筋斷裂.西橋幾乎所有的墩都遭到破壞，但是沒有垮塌.P1W 墩和P2W 墩遭受最嚴重的剪切破壞也沒有倒塌（圖9（e））.圖9 中：P1～P17 表示1～17 組橋墩，P2E 代表第2 組墩位處東部橋墩，P1W 代表第1 組墩位處西部橋墩，余同）

圖9 烏石大橋（單位：m）Fig.9 Wu-Shi Bridge (unit：m)

石圍大橋（Shi-Wei Bridge）位于3 號省道的163 公里+278 m 處，是一座約75 m 長、雙向三跨、簡支預應力混凝土工字曲線梁橋，采用單柱墩和沉箱基礎（圖10（a）、（b））.地表斷層破裂蹤跡從A2 號橋臺（東南向橋臺）穿過，迫使橋梁產生嚴重變形.在A2 號橋臺上方的山丘上，可見1.5～2.0 m 的陡坎，橋臺附近的擋土墻向河流方向坍塌[49].西橋的D2W 和D3W 兩跨以及東橋的D3E 跨發(fā)生了落梁破壞（圖10（c））.此外，P1W、P2W、P1E 和P2E 墩在離地面2 m 的高度處發(fā)生了剪切破壞和完全開裂破壞.另外，石圍大橋幾乎所有的剪力鍵和支座都被破壞[50].圖10 中：D1W 代表D1 跨處東跨橋梁，D1E代表D1 跨處西跨橋梁，余同.

圖10 石圍大橋Fig.10 Shi-Wei Bridge

明津大橋（Ming-Tsu Bridge）位于三號省道233 km+564 m 處，是一座長700 m、28 跨、簡支預應力混凝土工字梁橋（圖11（a））.下部結構采用獨柱墩和沉箱基礎（圖11（b））.A2 橋臺附近（東南橋臺）發(fā)生地表斷裂（圖11（c））.東橋3 跨（D23E、D25E、D27E），西橋6 跨（D22-25W、D27W、D28W）坍塌，在地震中一輛卡車和一輛摩托車從橋上掉下來.此外，6 個最南端的橋墩（P22-P27）遭受裂縫、傾斜和坍塌等嚴重損壞，而橋臺A2 的后壁受到上部結構的碰撞，在強烈的縱向地面運動中而被擠壓到回填土中（圖11（d））.

圖11 明津大橋Fig.11 Ming-tsu Bridge

名竹大橋是竹山通往名間的必經之道，斷層經過濁水溪之后繼續(xù)向南延伸，由名竹大橋南端的第2 與第3 橋墩之間通過，造成橋墩的傾倒與橋面的斷裂（圖12），該橋震后重建.

圖12 震后名竹大橋Fig.12 Mingzhu Bridge after earthquake

2.5 杜茲地震（1999，Mw=7.2，土耳其）

博盧（Bolu Viaduct）1 號高架橋位于博盧（Bolu）與杜茲（Duzce）之間的一段歐洲高速公路上，長約2.3 km，雙幅59 跨（跨度39.2 m），單樁形式且墩高在10～49 m 變化，采用隔震系統(tǒng)和樁基礎，簡支預應力混凝土箱梁橋.隔震系統(tǒng)由滑動盆軸承和鋼屈服裝置組成.當1999 年的杜茲地震發(fā)生時，這座橋的建造幾乎剛修建完成.表面斷層破裂從兩墩之間穿越，相對橋軸線夾角大約20°～30°.南橋墩和北橋墩在順時針方向經歷了大約12° 的剛體轉動.墩梁之間相對位移較大使得梁端與支座產生錯位.此外，滑動軸承和隔離系統(tǒng)嚴重損壞.因橫向的剪力鍵和縱向的混凝土擋塊/纜索提供的約束作用，避免了上部結構的落梁破壞.

2.6 汶川地震（2008，Mw=7.9，四川）

映秀順河大橋位于映秀鎮(zhèn)，橋軸線平行于岷江河，是一座長248 m，簡支預應力空心板橋，采用單柱（A1，P1～P5，P16，P17，A2）和雙柱墩（P6～P15）相結合、樁基礎形式.2008 年汶川地震時，這座橋除橋面正在施工外，幾乎完工了.地表斷裂以接近直角從P8 號和P9 號橋墩之間穿過（圖13（a）、（b））.斷層破裂產生的水平和豎向位移分別為1.0 m 和0.5 m.顯著的地表永久位移導致了D1 跨首先坍塌，隨后引發(fā)剩余跨度連續(xù)倒塌（圖13（c））.此外，部分橋墩頂部出現彎剪破壞.圖中：D1～D18 表示1～18 號橋跨.

圖13 映秀順河大橋Fig.13 Yinxius Hunhe Bridge

小魚洞大橋位于小魚洞鎮(zhèn)的白水河上，長189 m，4 跨簡支梁鋼筋混凝土雙柱墩的剛架拱橋（圖14（a））.斷層地表破裂跨越了大橋上游近70 m 的東堤，造成約1.5 m 的垂直偏移，而水平殘余位移可忽略不計.隨后，地表斷層沿東堤向下游延伸，并在A1 橋臺后約10 m 和50 m 處穿過引道（圖14（b））.橋軸線與斷層蹤跡的夾角大約75°.A1 橋臺后引道因地表斷裂破壞嚴重（圖14（c））.最西邊的兩跨（D3 和D4）完全坍塌，P3 橋墩向A2 橋臺傾斜（圖14（d））.此外，橋臺和D1 跨均受到嚴重損壞，而D2 跨受到的損壞較?。▓D14（e））.

圖14 小魚洞大橋Fig.14 Xiaoyudong Bridge

虹口高原橋是4 跨23 m 簡支空心板橋，斷裂從第1 跨穿過，永久地表位移導致第1 孔跨度減小，主梁撞壞橋臺，并插入橋臺內，第二孔跨度增大，主梁落梁，橋墩傾斜（圖15）.

圖15 虹口高原橋Fig.15 Hongkou Gaoyuan Bridge

百花大橋屬于S 型曲線連續(xù)梁.該橋第5 聯5×20 m 發(fā)生連續(xù)梁垮塌，其余聯跨出現極為嚴重的破壞.最終百花大橋喪失通行能力，完全失效，隨后被炸毀.具體破壞過程見圖16.

圖16 百花大橋Fig.16 Baihua Bridge

綜上所述，地震橋梁震害表明：1）地表永久位移對橋梁具有很強的破壞力，永久地表位移變化幅度較大，小者數十厘米，大者可達數米.永久地表位移導致地表的隆起或下陷，同時伴有水平位移，引發(fā)主梁的相對高差和水平錯動，是導致橋梁垮塌的主要因素；2）橋墩破壞以剪切破壞為主；3）震害調查涉及簡支梁橋、連續(xù)梁橋和拱橋，未有斜拉橋和懸索橋相關震害.

3 斷層地震動

眾所周知，合理的地震動輸入是獲得正確結構地震響應的前提.針對跨斷層橋梁結構而言，真實的斷層地震動對跨斷層橋梁抗震性能的評估起著決定性作用.然而，復雜的斷層構造和破壞機理決定了斷層處地震動實測和模擬的困難性[17,25,42].斷層地震對結構的破壞主要來源于發(fā)震層產生的振動和地表永久位移.與同震源的遠場地震相比，斷層處地面振動更強烈且伴隨斷層錯動造成的地面永久位移.另外，斷層地面運動還具有上盤效應、破裂方向性、滑沖效應和速度脈沖效應特征[19].跨斷層地震波主要有兩種來源：實測地震波和人工合成地震波.

3.1 實測斷層地震波

1999 年之前，震級大于7.0 級，斷層距小于20 km的強震記錄僅有8 組，斷層地震動的研究沒有足夠的信息支撐.1999 年9 月21 日中國臺灣7.6 級集集地震，斷層實測地震波首次被記錄.另外，1999 年7.4 級土耳其地震，相當大一部分數量的近斷層地震記錄被收集.大量的地震記錄為跨斷層橋梁抗震和斷層機理研究奠定了基礎.但是，背景噪聲、儀器噪聲、強震儀傾斜等因素導致斷層附近的地震記錄產生基線漂移.以臺灣集集地震臺站TCU084 所記錄到的3 個方向（U、N 和E）地震動為例，地震時地面的強烈振動可能使臺陣場地發(fā)生不均勻變形、滑移，致使傳感器傾斜.傾斜可能導致加速度基線嚴重漂移.斷層處地震動記錄一般需要經過基線校正才能為結構抗震所服務，但是斷層處地震波低頻成分包括的地表開裂永久位移被高通濾波器濾掉[51].如：美國地調局BAP（basic acceleration processing）方法，其中包括BAP-1 和BAP-2 兩種方法[52].高通濾波方法修正含永久位移的斷層地震波會濾掉永久位移，不合適處理這類地震動的基線校正.

針對含永久位移的斷層地震動，Iwan 等基于對PDR-1 和FBA-13 型數字化強震儀的性能試驗研究，提出了Iwan-1 和Iwan-2 方法[53].王國權等提出了Wang-Zhou 模型，比較好地消除了近斷層強震記錄的基線偏移，但是該方法不具有通用性，擬合速度時程的末尾部分取65～90 s，主觀經驗性較強[54].林元錚基于Iwan 法提出了新的基線校正方法并應用到跨斷層斜拉橋抗震性能評估中[19].吳先敏等在Iwan 法和EMD 法的基礎上，提出了一種新的基線漂移處理方法，并與ANSYS 結合，采用大質量法和大剛度法分析結構在空間地震作用的響應[55].張斌等基于Iwan 法，引入“時移斜率比”“校正后位移的最大平坦度”和“均方根偏差”3 個參數消除基線校正過程中經驗主觀性，并提出了改進的基線校正方法[56].此外，惠迎新等對斷層地震動基線校正提出了改進方法或對各種基線校正方法進行了對比分析和探討[42,57-60].總之，斷層地震記錄應該滿足地震開始時加速度、速度和位移時程為0，地震結束時加速度為0，速度為0，位移平行于時間軸[61].斷層處地震動基線校正方法缺乏普適性，主觀經驗性較強，還有待進一步研究.

3.2 人工合成斷層地震波

由于實測地震波的缺乏，人工地震波作為天然波的重要補充，在橋梁抗震分析中起著重要作用[62].斷層地震屬于一種特殊的近斷層地震.合成斷層處地震動時要綜合考慮上盤效應、滑沖效應、速度大脈沖效應和破裂方向性效應等因素[18].

斷層處人工地震波合成方法主要有確定性方法、隨機方法和混合方法[24].確定性方法中常用的方法有三維有限差分方法、離散波數法和有限元方法.最近，半經驗方法[63]、有限斷層震源模型方法[64]、顯式有限元方法[65]和三維有限差分法[66]被發(fā)展來模擬近斷層地震動.

3.3 斷層地表破裂位移量的預測

跨斷層橋梁抗震設計主要受斷層地表破裂產生的擬靜力位移控制，準確地預測地表破裂位移是非常重要的研究課題.準確的地表破裂位移預測是跨斷層橋梁抗震分析的基石和關鍵因素.目前，斷層破裂位移預測方法以基于概率的方法為主[67-69].基于地震危險性分析（PFDH）提出了概率的斷層位移危害性分析方法（PFDHA）.該方法簡單易于理解，直接利用斷層位移衰減函數替代地震危險性分析中的地震動衰減函數，單獨一個事件中，其表達式為

斷層位移危害性分析方法流程如圖17.

圖17 斷層位移危害性分析方法流程Fig.17 Flowchart of PFDHA

4 跨斷層橋梁分析方法及數值模擬

4.1 理論分析方法

橋梁抗震分析方法主要有反應譜法、時程分析法和隨機振動法3 種[70-71].跨斷層橋梁的計算分析方法基本源于這3 種方法.針對跨度小于90 m的普通混凝土橋梁結構，2009 年Goel 和Chopra 提出了反應譜和時程分析的簡化方法，用于評估線性橋梁結構地震需求，再結合永久位移產生的擬靜力位移需求，最終得到結構峰值響應.總的峰值響應與非線性動力時程峰值響應結果一致[72].

橋梁設計需要最不利荷載，因此普通跨斷層橋梁的線性分析主要是對其峰值進行計算和評估.另外，斷層處的空間地震動采用多點激勵或比例多點激勵方法模擬.在空間斷層地震作用下，假設梁墩l處平行和垂直于斷層兩個方向上的位移分量分別為，采用比例多點激勵法可表示為

為了在評估普通橋梁結構在斷層地震作用下總的極值響應時考慮的非線性效應，2009 年Goel 和Chopra[10]把模態(tài)推覆分析、線性動力分析和線性靜力分析方法從彈性范圍擴展到了非彈性范圍，用以評估擬靜力項和動力項之和的結構地震需求.此外，Konakli 等[73]在平穩(wěn)和零殘余滑移的前提下，基于多點反應譜法理論框架評估了跨斷層橋梁的地震響應需求，采用相干函數來表征走滑斷層的地震動空間變異性.Anastasopoulos 等[74]針對跨斷層橋梁考慮土-基礎-結構相互作用后，提出兩步設計方法：第一步作為局部分析，處理單樁、基礎和簡化上部結構體系的動力響應；第二步作為整體分析，將第一步獲得位移施加到詳細的上部結構模型中，并得到上部結構動力響應.基于有限元軟件ABAQUS 進行大量參數分析，認為橋梁自身的重量可能改變斷層破裂路徑，樁基礎在斷層處是容易被破壞而大型沉箱基礎基礎較為有利，斷層位置對結構有重要影響.Saiidi等[75]將Goel 和Chopra 提出的線性靜力分析方法應用到兩跨混凝土橋梁的振動臺試驗，對比了來自振動臺試驗，線性靜力分析和非線性時程分析的梁體間相對位移峰值響應，結果吻合較好.Shantz等[76]提出了斷層危險性分析方法，以倒塌概率作為橋梁建造成本投入的指標，對不同設計水準下的橋梁進行對比分析，當設計一座橋梁以適應較大的斷層偏移量時，研究投資成本與倒塌概率的關系.

Todorovska 等[77]基于概率地震危害分析框架評估了跨斷層橋墩相對位移峰值響應，考慮了來自地面振動的動力、行波作用下的擬靜力和地面永久位移產生的靜力的作用效應后，給出了一定期限內特定超越概率下的墩體動力響應的一致災害相對位移譜.Gazetas 等[78]基于三維有限元軟件ABAQUS，采用有限元模型與試驗模型相同尺寸大小，研究了傾滑斷層地震動作用和考慮土壤應變軟化情況下的下沉箱基礎的動力響應.試驗和數值模型均研究了斷層類型、斷層位移大小、位置對沉箱基礎動力響應的影響.總體上模型試驗和數值模擬結果基本上一致，但是數值模擬中未體現試驗中的一些細節(jié)位置應變，兩者的差異主要源于模型試驗的縮尺效應.模型試驗和數值模型中沉箱基礎頂部的平動和扭轉響應一致.

4.2 數值模擬分析

1999 年Duzce 地震中，采用屈服鋼消能裝置和滑動盆式支座隔震技術的1 號Bolu 高架橋跨越北安那托利亞斷層，文獻[79-81]基于非線性動力時程分析，采用有限元軟件ABAQUS 和SAP2000 分析了斷層地震動空間效應對其動力響應的影響.當不考慮斷層效應時，隔震位移需求由隔震系統(tǒng)的恢復力確定.而考慮斷層效應后，兩套隔震系統(tǒng)位移需求由斷層永久位移控制.高通濾波對斷層地震動進行處理后，移除了低頻的永久位移成分，采用高通濾波后會低估跨斷層橋梁地震響應需求.Luo 等[82]基于SAP2000 采用反應譜法和線性時程法對跨越走滑斷層的斜拉橋進行地震分析，兩種方法得到的動力響應吻合較好.當墩和上部結構橫向約束被釋放后，墩底的剪力和彎矩將會減小.不考慮斷層效應，結構響應將被低估.楊懷宇等[83]考慮隔震橋梁在斷層地震作用下的響應問題，針對性地研究了鉛芯橡膠支座和盆式橡膠支座在斷層地震作用下對整個橋梁結構動力響應的影響以及減隔震效果.惠迎新等[42,84-85]基于非線性有限元軟件OpenSEES 研究了斷層角度、位置、墩高和支座類型對橋梁動力響應的影響.曾亞光[18]研究了深水大跨斜拉橋跨越走滑斷層情況下的動力響應，地震強度、水深、斷層角度和位置均被討論研究，最大的彎矩和剪力響應發(fā)生在主塔底部，最大位移發(fā)生在塔頂部.隨著水深的增加，主塔地震響應隨之增加，因此考慮水對斜拉橋的影響是非常必要的.另外，從斷層位置和角度討論看，以該斜拉橋的簡支梁跨垂直跨越走滑斷層，相對來說是最有利的.Wu 等[86]針對跨越逆斷層的四跨橋梁進行了時域動力分析，研究表明地震動空間性不可忽略，會增大結構地震響應，斷層永久位移會使跨斷層橋梁產生殘余位移.Mahmood 等[87]評價混凝土直線型和曲線型箱梁橋在隔震和非隔震狀態(tài)下的地震反應.研究表明，增加非隔震橋梁的曲率增大了橋梁的不規(guī)則性.增加橋面板的曲率會增加橋墩在弧形徑向上的剪力、彎矩和位移，導致橋墩在徑向上更易受損.

Zhang 等[20]研究了斷層破裂對公路簡支梁橋地震響應，選取了6 組在斷層平行方向上具有滑沖效應和在斷層正方向上具有向前方向性效應的地震動作為地震輸入.對斷層地震波進行了基線校正，確保斷層地震動中低頻成分的永久地表位移存在.基于OpenSEES 建立了公路簡支梁橋有限元模型，研究了15°～165° 的跨斷層角度和永久位移幅值對橋梁抗震性能的影響.針對梁體與橋臺之間縱向接觸情況進行對比討論.總體來說，地表永久位移和斷層角度對橋梁有重要影響，對跨斷層橋梁設計需要重視（圖18），圖中：Pbw為碰撞力；Kabut為橋臺剛度；Δgap為間隙；Δeff為等效剛度；Fy為梁碰撞力；Kp為梁剛度；K1為彈性剛度；K2為尾服剛度；εsu是鋼筋極限應變；Δy、Δn、Δcu、Δu分別為鋼筋屈服變形、混凝土屈服變形、混凝土極限變形、鋼筋極限變形；Vn為外力；Vc為混凝土剪力；fy為鋼筋屈服應力；εsu為鋼筋極限應變；Vs為鋼筋剪力；fsu為鋼筋極限應力；εsh為鋼筋屈服應變；Es為鋼筋彈性模量；Esh為鋼筋強化切線模量；分別為非約束和約束混凝土屈服應力；εcc、εco分別為約束和非約束混凝土屈服應變；Ec為混凝彈性模量；為混凝土極限應力；εcu為混凝土極限應變；P為集中力.Lin 等[41]基于LS-DYNA 數值模擬和1∶10 尺寸的振動臺試驗研究了跨逆斷層的鋼-混組合剛構橋地震性能.斷層位置、角度和滑沖效應被系統(tǒng)討論（圖19）.總之，針對跨斷層大跨度橋梁動力計算，非線性動力時程法計算工作量較大，而且反應譜和線性時程方法的簡化方法也僅僅滿足普通橋梁的計算需求，而對幾何非線性較強的大跨度斜拉橋和懸索橋的簡化方法還沒有學者提出.數值模擬主要集中在LS-DYNA、SAP2000、ABAQUS 和OpenSEES 四種軟件基礎上.LS-DYNA和ABAQUS 顯式動力分析可分析跨斷層橋梁大變形、強非線性，而SAP2000（V16）橋梁模塊已經嵌入了跨斷層橋梁分析模塊和桿系單元模擬方法.OpenSEES 有較強的非線性計算功能，但是前后處理較繁瑣，實體建模更不方便.故LS-DYNA 和ABAQUS 是兩款采用實體模擬跨斷層橋梁動力響應的具有吸引力的工具.目前，針對跨斷層多跨簡支梁和連續(xù)梁體系的振動臺試驗的相關研究較少.同時，斜拉橋和懸索橋關于跨越斷層抗震性能的相關振動臺試驗甚少[88].

圖18 三維非線性有限元模型Fig.18 3D nonlinear finite element model

圖19 橋梁模型及假定斷層位置Fig.19 Positions of bridge model and assumed fault

5 跨斷層橋梁抗震設計措施

為了避免斷層地震對跨斷層橋梁的破壞，國內外相關抗震規(guī)范采用了最直接措施，即：建議橋梁結構盡量與地震活動斷層區(qū)域避開一定距離，甚至避免修建在斷層區(qū)域.這是導致國內外關于跨斷層橋梁抗震研究較少的重要原因之一.但川藏線鐵路線上的橋梁已無法避免跨越斷層.抗震設計供參考的規(guī)范也僅限于最新的鐵路和公路兩本規(guī)范.《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（2009 年版）（GB 50111—2006）采用小跨徑和低墩高簡支梁的辦法跨越活動斷層[89].《公路橋梁抗震設計規(guī)范細則》（JTG/T B02-01—2008）做出了比鐵路規(guī)范相對詳細的規(guī)定，采用安全距離避讓斷層，易于修復的橋型和選擇下盤修建橋梁的措施[90].規(guī)范針對跨斷層橋梁抗震規(guī)定和建議都相對粗糙，無細節(jié)規(guī)定.因此，抗震概念設計在跨斷層橋梁抗震中尤為重要.抗震概念設計是基于地震災害和工程經驗等條件總結和積累起來的基本設計思想和設計原則，從概念和結構總體上考慮工程抗震決策，能達到抗震設防目標的方法[91].抗震概念設計包括：

1）正確的場地選擇、合理的結構選型和布置、構造措施等；2）跨斷層橋梁應采用“多級設防、分級破壞”的抗震設計理念[92].

一般情況，斷層地表破裂位移可達數米，將在相鄰橋墩之間產生較大位移，引發(fā)落梁，造成橋梁垮塌，難以修復.如何防止落梁是跨斷層橋梁抗震設計的重要內容之一.基于跨斷層橋梁防落梁措施及辦法，遵循“多級設防、分級破壞”的抗震設計理念，跨斷層橋梁上部結構易用自重輕和抗扭能力強的鋼箱梁簡支結構.縱橋分級防落梁措施：第一級加設阻尼器；第二級增加搭接長度；第三級設置防落梁托架或縱向擋塊；第四級設置鋼索.橫橋向分級防落梁措施：一級擋塊（塑性破壞）；二級擋塊.為降低梁體滑落至托架的沖擊作用對結構產生的二次破壞，可在托架上增加二級墊石且在墊石上鋪設橡膠塊，進一步消能減震.另外，將支座墊石縱向加大與墩頂邊緣齊平，防止梁體滑落對墩頂的二次破壞（圖20、21）.

圖20 多級防落梁措施（單位：cm）Fig.20 Multi-level unseating prevention measures of bridge (unit：cm)

圖21 多級設防Fig.21 Multi-level fortification measure

3）橋位布置方面盡量使橋軸線與斷層盡量正交.

4）橋型選擇構造簡單、易于修復的靜定結構.

5）隔震支座與限位和防落梁裝置配合使用.

6）墩體具有較大的抗剪和抗扭能力，設置豎向拉索，減小梁體對墩的二次破壞.

7）宜采用剛度較大的橋臺對梁體具有限位作用.

8）宜采用沉箱基礎或鋼管復合樁.

9）巖土技術改變斷層破裂路徑，阻礙其破壞結構基礎[93-95].將膨脹土作為隔離墻，改變斷層破裂路徑，阻礙破裂路徑穿越結構基礎（圖22，圖中：S為基礎和土墻之間的間距；HSBW為土墻的高度；S為與自由場理論破裂點的距離；B為基礎跨度；q為附加荷載；H為隔離墻的高；W為隔離墻的寬；φ為土體摩擦角；τ為土體剪切強度）.

圖22 斷層阻斷技術Fig.22 Fault-blocked technique

6 結論及展望

本文主要從斷層地震動特性、震害分析、斷層地震動模擬、計算方法以及跨斷層橋梁抗震設計等方面對跨斷層橋梁進行分析.綜上所述，我國對跨斷層橋梁的抗震研究尚處起步階段，跨斷層橋梁倒塌機理和破壞模式尚不夠明確.斷層空間地震動模擬研究較少，斷層破裂機理有待進一步研究.針對斷層地震動的基本特征及其對結構的影響，相對一致的結論有：1）國內外針對跨斷層的簡支梁、連續(xù)梁和曲線橋梁的研究已有較少研究，對跨越斷層的大跨度纜索承重橋梁的地震性能評估太少，幾乎沒有涉及懸索橋；2）跨斷層橋梁抗震概念設計尤為重要，采用“多級設防、分級破壞”的抗震設計理念是非常必要的；3）斷層地震動特性、斷層穿越位置、穿越角度及結構設計參數等都會對橋梁動力響應產生重要影響；4）滑沖效應脈沖地震動對周期較長結構的內力響應影響最顯著，增加梁體位移及墩底彎矩，地震過程中后期速度或位移是控制結構破壞的關鍵因素；5）斷層破裂地表位移導致結構相對位移過大，對結構造成較大破壞作用，而傾滑斷層類型地震動會造成以剪切破壞和傾斜倒塌為主或者兩種破壞耦合的橋墩破壞形式；6）對跨越走滑斷層橋梁，因斷層面的相互錯動，致使斷層面兩側橋墩扭矩顯著增大.

基于上述的文獻回顧，未來跨斷層橋梁研究重點方向：1）斷層處實測地震動收集，合理的斷層實測地震波處理技術以及更真實的人工地震波合成技術；2）梁橋、拱橋、纜索承重橋以及組合橋梁進行跨越斷層能力評價體系；3）橋梁抵抗較大地表破裂永久水平和豎向位移措施及新結構體系研究；4）跨斷層橋梁災后快速搶修技術以及修復加固技術；5）人工智能技術與跨斷層橋梁抗震的結合與應用；6）跨斷層橋梁的抗震設計理論及數值仿真方法研究；7）多災害下跨斷層橋梁倒塌機理及防倒塌措施研究；8）跨斷層橋梁抗震韌性研究.

本文通過文獻綜述，揭示了跨斷層橋梁復雜的破壞形式，探究跨斷層橋梁結構在斷層地震作用下的結構受力特點、破壞模式、控制抗震設計薄弱位置，針對性地制定跨斷層橋梁多級設防，分級破壞的地震防御措施，修訂抗震規(guī)范具有重要意義.