日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述丨Engineering(17)

2. 大地震期间的桥梁监测
日本发生的几次大地震对桥梁的设计规范和实施产生了重大影响。如1995年的日本阪神（神户地区）大地震和2011年东日本（东北地区）大地震。1995年日本阪神（神户地区）大地震对日本关西地区的几座大跨度桥梁产生了重大影响。其中有一些桥梁安装了监测系统，这些监测系统获取到了重要的地震记录。其中一些地震记录是从仍在建设的明石海峡大桥上获取到的；还有一些地震记录是从Minami Bisan-Seto大桥和Hitsuishi大桥（沿着本州-四国联络桥的儿岛-坂出路线）以及Higashi-Kobe大桥上获取的。根据所记录的地震响应数据，研究人员对桥梁的抗震性能进行了研究。通常，研究人员首先会将所记录的地震动数据与设计好的地震动数据进行比较，以此来进行分析。随后，研究人员通过详细的分析（即对地面施加到所有支座上的地面加速度进行数值模拟）来评估桥梁的动力响应。
从这些地震中获取的经验以及从监测系统中获得的地震响应数据，为日本桥梁设计规范的改进和实施做出了贡献。
日本东神户大桥（Higashi-Kobe Bridge）（图12）是一个特例，因为它是1995年日本阪神（神户地区）大地震中，仅有的几座安装有监测系统的大跨度受损桥梁之一。桥梁连接端部主梁和桥墩墩帽的支座结构失灵[图12（b）]，失去了其作为抗拔垂直支撑构件的功能。由于主梁端部横向运动过大，导致风挡失效，进而引起桥梁支座连接失效。幸运的是，该桥在侧跨处由中间桥墩支撑，为桥梁提供了额外的冗余，避免了桥梁全部倒塌。

图12 在1995年日本阪神（神户地区）大地震期间，东神户大桥的损坏状况。（a）东神户大桥的监测系统；（b）桥梁端部支座的损坏情况。经John Wiley & Sons, Inc.许可，转载自参考文献，1998
地震监测系统可以成功记录地震期间桥梁的响应情况。主梁之间的碰撞以及支座和连杆的损坏情况在历史记录中都可以查找到。通过对记录中地震响应的尖峰状波形进行分析可知，桥塔和主梁之间发生了碰撞。该地震响应还表明，土壤-结构体系受到表层饱和土壤孔隙水压力累积的强烈影响。地震发生后，为了在桥梁墩帽和主梁之间增加冗余以防止桥梁连杆失效，施工人员采用了抗拔缆索来连接桥梁墩帽和主梁。除了观测到建筑结构响应，研究人员在地震动记录中还观测到了液化迹象，这是因为桥被建造在了填海土地上。研究人员根据地震响应分析结果，修改了现行公路桥梁的设计规范，以评估在最软地基上建造的桥梁的抗震性能。