日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述丨Engineering(10)

通过对1995年日本阪神（神户地区）大地震中隔震桥的地震响应的观测，研究人员认为隔震系统比橡胶垫的侧向力分布体系更具优势，因为其阻尼性能在很大程度上降低了响应位移。因此，在1995年日本阪神（神户地区）大地震后，隔震系统的使用率显著增加。在由日本国土交通省（MLIT）管理的国家高速公路上，大约有120座桥梁和200座新建桥梁均采用了隔震设计。此外，隔震系统也被应用于现有桥梁的加固。
大跨度桥梁比中小跨度桥梁具有更大的变形性能。大跨度桥梁的地震载荷通常要小于风载荷。然而，由于大跨度桥梁的主梁重量较大，由桥梁的上部建筑结构引起的惯性载荷可能很大。因此，通过进一步延长自振周期来降低地震载荷的做法是常用的隔震方法。具体做法是，通过使用专门设计的塔梁连接系统来隔离梁与塔，从而达到隔震目的。然而，在降低地震载荷的同时，可能会因为桥梁的变形性能导致建筑结构的过度位移。因此，在对大跨度桥梁进行隔震处理时，需要谨慎考虑是否要降低地震载荷。
日本的一些大跨度斜拉桥均采用了塔梁连接的方法来延长桥梁的自振周期。例如，位于日本名古屋的Meiko Triton斜拉桥采用了弹性缆索将主塔和主梁沿纵向相连接，从而使自振周期延长至大约2~3 s。位于日本横滨的鹤见翼桥（Tsurumi Tsubasa Bridge）在主塔和主梁之间采用了弹性约束缆索体系，并使用叶片式液压油阻尼器来控制位移。另一个例子是日本的东神户大桥（Higashi-Kobe Bridge）。为了延长大桥的自振周期，桥梁施工人员在塔楼和墩帽的所有支座处沿纵向放置了能自由活动的支撑物。为了提高桥梁的安全性和增加阻尼，桥梁施工人员在主梁端部安装了叶片式液压油阻尼器。
在日本，一些大跨度桥梁（包括已安装有隔震系统的桥梁）均安装了密集排列的永久性地震监测系统。横滨湾大桥就是其中之一（图7）。由于该桥被建造在软土上，所以需要特殊的隔震系统。该桥位于活动断层附近，靠近1923年日本关东大地震的震中。特殊的地理条件使得桥梁的抗震性能成为首要考虑的问题。因此，为了验证抗震设计以及监测桥梁在地震作用下的性能，研究人员在该大桥上安装了一套密集排列的综合监测系统。监测系统主要被用于评估桥梁的抗震性能、验证和比较抗震设计以及观测可能出现的损坏。研究人员对桥梁抗震记录进行分析时，重点关注的是隔震装置，即铰链支座（LBC）。
作为其动态监控系统的一部分，该桥在36个位置配备了85个加速度计通道（图7）。为了评估桥梁的整体和局部性能，研究人员分析了1990年至1997年间6次大地震的不同振幅的地震记录。大跨度桥梁在地震激发下的系统识别需要考虑沿桥梁测量的非唯一地面激发记录以及在多个方向上的激发。桥梁的LBC的性能研究主要是通过观测第一纵向模态、分析桥墩和主梁之间的响应以及使用有限元模型进行的分析来进行的。