Transverse Seismic Response of the Double-deck Rocking Frame Bridge with Additional Yielding Dampers
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摘要: 为控制双层框架墩结构地震损伤，提升结构震后功能恢复能力，本文提出一种屈服消能摇摆双层框架墩结构，结合拉格朗日方程和动量矩定理建立了结构横桥向地震反应分析模型。针对典型双层桥梁框架墩结构分别建立了现浇分析模型、自由摇摆分析模型和屈服消能摇摆分析模型，并采用远场地震动、近场无脉冲地震动和近场脉冲地震动对结构进行横桥向地震反应分析和结构参数影响规律分析。分析结果表明，摇摆桥墩可避免桥墩发生残余变形，且防屈曲阻尼器的设置起到了较好的减隔震及抗倒塌作用，尤其是在近场脉冲地震动作用下效果最为显著；摇摆结构参数对结构地震反应有明显影响，下层结构地震反应随着摇摆桥墩高宽比、尺寸参数和下层梁墩质量比的增大呈减小趋势，而上层现浇结构地震反应呈相反趋势，值得注意的是较小的上层结构固有频率将会增加现浇墩柱发生塑性变形的可能性。Abstract: To limit earthquake damage and enhance the post-earthquake functional recovery of double-deck bridge frames, this study proposes a yield energy-dissipated double-deck rocking bridge frame based on the rocking concept. A rigid body seismic analysis model of the double-deck rocking bridge frame in the transverse direction was developed using the Lagrange equation and an angular velocity reduction coefficient to account for energy loss during rocking impacts. The research focuses on a double-deck bridge frame with conventional structural parameters, establishing analysis models for cast-in-place structures, free rocking structures, and yield energy-dissipation rocking structures. Seismic response and parameter analyses were conducted in the transverse direction under far-field, non-pulse near-field, and pulse near-field ground motion excitations. The results indicate that rocking piers can effectively prevent residual deformation of the bridge piers. Additionally, anti-buckling dampers significantly reduce the seismic response and enhance the collapse resistance of the double-deck rocking bridge frame, particularly under near-field earthquake records with pulse excitations. The parameters of the rocking structure notably influence the seismic response. Increasing the aspect ratio, the size, and the mass ratio of the beam to the rocking column effectively reduces the seismic response of the lower structure, although it may increase the seismic response of the upper cast-in-place structure to some extent. Importantly, a lower natural frequency of the superstructure may raise the likelihood of plastic deformation in the cast-in-place column.
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Key words:
- Double-deck bridge /
- Rocking column /
- Dynamic analytical model /
- Seismic response /
- Parameter analysis
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引言
随着经济社会的发展，震害防御业务需不断充实、提高，以为国民经济建设提供安全保障。在深入推进防灾减灾救灾体制机制改革的形势下，深刻分析震害防御内涵，系统梳理震害防御业务基本组成元素，建立震害防御业务体系架构，是做好新时代防震减灾工作的重要基础性工作。本文以减轻灾害风险为基本原则，基于震害防御业务发展历程及业务管理和技术现状，按照灾害风险管理原则，给出地震灾害风险基本概念，重构震害防御业务流程，并建立震害防御业务体系架构。
1. 震害防御业务发展历程
中华人民共和国成立初期，为满足大批基础设施建设和重点工程建设抗震设防需要，在推进地震监测等基础工作的同时，大力开展地震工程研究工作，调集精干队伍整理地震史料，编制第一代《中国地震烈度表》和第一代《中国地震区域划分图》，制定《地震区建筑设计规范》，开展地震烈度鉴定和抗震实践等工作。对于震害防御业务而言，在开展基础理论研究与技术研发的同时进行了大量减灾业务实践。1966年邢台地震发生后，周恩来总理在强调加强地震预测研究工作的同时，明确要求地震工作要为保卫大城市、水库、电力枢纽、铁路干线做出贡献。广大科技工作者和人民群众响应总理号召，全国兴起了“专群结合、土洋结合”的群测群防热潮。1971年国家地震局成立，在1972年全国第二次地震工作会议上，明确提出了“预防为主”的工作方针。1976年唐山地震发生后，抗震防灾工作进入全面发展阶段，地震部门和各有关建设部门共同推进工程地震与结构抗震研究、地震区划等工作，为国家重大建设工程、城市用地规划、生命线保护工程、社会发展与经济建设提供有力的安全保障。1979年开始，对全国地震区既有工程设施与建筑物进行抗震鉴定与加固改造（《当代中国》丛书编辑部，1993；高文学，1997）。
改革开放前，我国尚未形成系统性的震害防御业务体系，随着改革开放的深入，经济社会快速发展，工程建设和社会公众均对地震安全提出了更高更新的要求，在做好地震预测预报和震情监测工作的基础上，地震及有关部门大力推进震害预测、工程场地地震危险性评估、地震烈度鉴定、地震小区划、活动断层探测和填图、地震现场震害调查、地震灾害损失评估、科普教育、防灾规划、地震应急等工作，震害防御业务领域不断拓展，服务经济建设的作用越来越显著（《当代中国》丛书编辑部，1993）。
1997年，《中华人民共和国防震减灾法》颁布，这是在总结历史经验的基础上，第一次对我国防震减灾工作做出的法律规定，确立了非工程性防御措施和工程性防御措施并重的法律制度，确立了地震安全性评价结果和地震区划图作为建设工程抗震设防要求的法律地位，较系统地梳理了震害防御基本业务及地震、规划、建设、交通、铁路、水利、电力、地震等有关部门的管理职责。
党的十八大以来，党中央高度重视自然灾害防治，习近平总书记就防灾减灾救灾发表了系列重要论述，强调要坚持以人民为中心，坚持以防为主、防抗救相结合，坚持常态减灾和非常态救灾相统一，努力实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变，从应对单一灾种向综合减灾转变，从减少灾害损失向减轻灾害风险转变，全面提升全社会抵御自然灾害的综合防范能力。新时代新要求使震害防御业务发展迎来了全新的变革机遇，震害防御业务涉及范围广，相关技术领域多样，以深化“放管服”改革转变政府职能为指引，明确震害防御业务体系，更好地满足经济社会发展对地震安全的需要，更好地为自然灾害防治重点工程提供有力支撑，既是历史赋予的神圣使命，又是当前防震减灾工作的迫切任务。
在与地震灾害持续斗争的历史进程中，为更有效地防御与减轻地震灾害，震害防御的基本内涵不断演化充实，构成震害防御业务的技术手段、管理措施和减灾产品不断优化提升。至21世纪初，逐步形成了包括震前预防、震时紧急处置、震后救助与恢复重建在内的地震灾害管理业务循环（邹铭等，2010；张继权等，2012）。震害防御工作是以减少灾害损失为目标，震害防御业务包括震前地震危险性评价及预防措施落实、震时应急抢险应对、震后恢复重建及预防措施落实。
2. 震害防御业务流程重构
按照新时代防灾减灾救灾的基本要求，震害防御工作应以减轻灾害风险为目标，震害防御各项业务应遵循灾害风险管理的基本原则。风险指未来的某种可能性，这种可能性更多的指各种自然因素和人为因素引发的危险及其带来的不安与潜在损失（李素鹏，2012；乌尔里希•贝克，2018）。《风险管理术语》（GB/T 23694—2013）（国家质量监督检验检疫总局等，2014）给出风险的定义为：不确定性对目标的影响。国外学术界和许多重要组织对灾害风险已进行长期研究，普遍的观点认为，灾害风险是潜在的自然危险源与承灾体相互作用的综合结果，是灾害损失的可能性，可用概率定义（张继权等，2012），表达式如下：
$$ R=f\left(H,E,V\right) $$ (1) 式中，R表示地震灾害风险；H表示地震危险性；E表示地震灾害承灾体暴露度，指承灾体规模及其处于地震影响范围的状态；V表示地震灾害承灾体脆弱性，又称易损性，指承灾体可能被地震破坏的难易程度。
地震灾害兼具自然属性与社会属性，地震灾害损失是地震对社会正常秩序造成影响而产生的后果。综合对地震与地震灾害的认识，本文规定地震灾害承灾体为承受地震作用影响的经济社会中的各类目标体，包括有形的财物和无形的社会生产生活秩序、政治经济运行状态及人类生命体。
基于灾害风险管理视角，未来可能发生的地震是“危险源”，是潜在的可能带来破坏和损失的源头。当地震已经发生并带来了破坏、造成了损失，灾害成为了事实。而地震灾害风险针对未来可能发生的地震而言，未来地震发生情况及地震作用对承灾体造成的影响均存在不确定性。综上所述，本文将地震灾害风险定义为：未来发生的地震对承灾体造成影响并带来损失的可能结果。
目前，地震发生的全部规律并不能被完全掌握，更不能对地震是否发生、震级、发生地点和时间进行控制。但通过开展地震监测及对活动构造的基础探测，运用地震科学理论和技术方法，可对未来一定时期、一定地域可能发生的地震状态做出一定判断。针对潜在的地震破坏危险源头（致灾因子），可探明活动断层、划分地震区带、判定区域强震活动趋势、估计地震影响场，但地震的发生不可控。然而，对于地震破坏的承灾体，无论是有形的建（构）筑物及其他财物，还是无形的人类活动、社会生产生活秩序等，均会受到主观能动性的影响，可在人为控制下发生变化。特别是，当人们通过有意识、有组织的行为识别出地震危险并明确地震灾害风险特征时，将不会被动地放任不管，而是主动采取行动，尽力改变或控制带来灾害风险的相关因素，即对致灾因子及承灾体特征进行识别后采取一定措施，改变承灾体某些性态，以减轻地震带来的不良后果。人的能动作用始终是决定地震灾害风险的重要因素，因此可给出地震灾害风险概念化公式：
$$ {R}_{{\rm{e}}}=f\left(H,E,V,C\right)=\frac{HEV}{C} $$ (2) 式中，Re表示地震灾害风险；C表示人的能动作用对致灾因子及承灾体特征进行识别后采取一定措施的效果，也称为防灾能力。
由式（2）可知，地震灾害风险与地震危险性、承灾体暴露度和脆弱性成正比，与人为措施效果成反比，即地震危险性越大，地震灾害风险越高；作为表达承灾体总量及其受地震影响程度的暴露度越大，地震灾害风险越高；承灾体脆弱性越高，越易受地震影响，地震灾害风险越高；人为措施效果越好，地震灾害风险越低，反之越高。
由地震灾害固有属性可知，地震灾害风险不能被完全消除，但可对其相关要素进行加强识别与研判，通过积极主动的防范和治理措施，有效降低地震灾害风险。目前，已有基本共识认为通过不断加大投入、采取强有力的措施可显著降低地震灾害风险，减小地震灾害损失。然而，基于理性判断和现实困难，无法无限度地进行防灾投入，也无法无止境地采取防治措施。在地震灾害风险管理过程中，防震减灾投入与减灾效果存在平衡点，震害防御工作的使命是根据社会政治、经济、法律、技术和文化等，设计风险偏好和风险容忍程度，以此找到平衡点并建立平衡状态。
合理控制剩余灾害风险量并使防震减灾投入与减灾效益达到最佳平衡状态是震害防御的永恒目标。因此，遵循减轻灾害风险的理念，为防范和治理地震灾害风险，按照灾害风险管理要求，震害防御业务首先需对地震危险性和承灾体特征进行充分了解，最大限度地明确承灾体底数，为地震灾害风险评估奠定基础；然后基于地震危险性和承灾体底数信息，分析得到地震灾害风险结果，按照风险偏好进行决策，即开展地震灾害风险评估，为灾害风险科学技术研究、防治与应对提供重要参考；最后依据地震灾害风险评估结果落实防治措施，以降低地震灾害风险。地震总要发生，当地震发生时，人们将主动或被动地采取应对措施，以期最大限度地减少损失。现代社会已形成行之有效的地震应急准备及地震发生时的应急行动工作体系，且服务于社会公众的应急避险和自救互救知识体系不断成熟。为避免个体或机构因地震灾害陷入困境，现代社会还建立了以地震保险为代表的地震灾害风险分担机制。
3. 震害防御业务划分
震害防御业务组成随着经济社会的发展不断调整充实，按照新时代防灾减灾救灾要求，震害防御各项业务技术手段、管理措施和减灾产品将被深度融入按照灾害风险管理原则重构的业务流程中。以业务流程为基础，根据《风险管理原则与实施指南》（GB/T 24353—2009）（国家质量监督检验检疫总局等，2009），基于地震灾害风险的基本认识和风险管理过程原则，可规定震害防御业务体系包括以下环节：地震灾害风险调查、评估、防治应对。
震害防御业务组成元素主要包括技术方法与产出成果，因此，运用系统分析方法可将震害防御业务体系界定为简单系统，即系统组成元素或子系统种类较少，关系单纯，层次较少，由组成元素或子系统的描述经过直接综合即可得到系统整体行为的描述（苗东升，2016；谭璐等，2020）。震害防御业务体系中的每个基础序列构成了其子系统，综合运用系统分析方法分别对每个序列的各方面进行颗粒化分解，明确组成元素并进行聚类分析，这是建立震害防御业务体系架构的基本途径。以震害防御业务发展演化、实际业务开展情况（现行国家标准和行业标准、重大工程任务的实施）及发展趋势（重点研发项目及技术研发）、《中华人民共和国防震减灾法》及其他有关法律法规的规定为依据，对地震灾害风险调查、评估、防治与应对的相关业务内容进行逐层分解，通过遍历震害防御业务体系的组成元素，借鉴标准体系的结构关系（麦绿波，2011），按其内在逻辑构建层次和序列结构模型，综合展示震害防御业务体系概貌，从而揭示震害防御内涵。
4. 震害防御业务体系架构建立
在震害防御业务细分的基础上，进一步明确其组成元素，通过对组成元素进行聚类分析，从而建立震害防御业务体系架构。震害防御业务分解得到的组成元素既包括工作内容和技术方法，又包括部分相应的产出成果。其中部分技术方法具有较强的通用性，因而在不同业务序列中同时出现，如基础探测方法；部分业务成果产出需贯穿业务流程的多个环节，因而形成了业务序列中某些组成元素的关联性或衔接性，如灾害风险评估基础数据、方法和产出，且震害防御业务为经济建设提供的减灾产品和技术服务融合在业务流程各环节中。为此，对部分业务内容进行分解，梳理出组成元素，并按业务流程所处环节纳入相应序列中，如城市活动断层探测工作中的地震危险性评价与地震危害性评价被纳入地震灾害风险评估序列，而相关的探测方法被纳入地震灾害风险调查序列。
将震害防御业务体系4个基础序列作为子系统，分别展开业务内容，建立图1所示业务体系基本架构。进一步对基本架构进行组成元素分解，将完整地展现震害防御业务体系架构全貌。
图 1 震害防御业务体系基本架构Figure 1. Basic framework of earthquake disaster prevention service system4.1 地震灾害风险调查
地震灾害风险调查是以全面掌握与地震危险源和地震灾害承灾体有关的基础信息为目标，为地震灾害风险评估、防治与应对奠定基础。地震灾害风险调查业务内容及组成元素分解结果如表1所示。
表 1 地震灾害风险调查业务内容及组成元素分解结果Table 1. Components of earthquake disaster risk investigation sequence业务 组成元素 备注 陆上地震
构造探察遥感调查 断错地貌测量 野外地质调查 古地震槽探 地震勘探 可再细化 电法勘探 可再细化 钻井探测 年代测定 可再细化 活动断层地质填图 可再细化 海域地震
构造调查海域活动构造调查 海域断裂活动性调查 海域软土层和海礁调查 海洋工程地质条件调查 海底地形地貌和软土层调查 海底地形地貌和软土层模型构建 海域地震构造模型构建 地震活动性
调查历史地震编目 地震重定位和震源机制解析 地震活动性时空特征分析 地震影响
特征调查工程结构抗震性能试验 场地地震动衰减分析 工程结构强震动监测 场地强震动监测 地震工程地质
条件调查地貌、地层、水文地质、
地质构造调查土层结构钻孔探测和土样采集 原位剪切波测试 土层结构模型建立和
场地类别划分地震地质灾害
风险调查地形地貌及植被调查分析 地质构造与工程地质
岩土调查分析斜坡结构及其地震作用影响调查分析 地震滑坡和泥石流评估 地震砂土液化和软土震陷评估 承灾体基础
数据调查建筑物设施底数调查 生命线系统底数调查 易燃易爆危险品源底数调查 工业经济底数调查 农业经济底数调查 服务业经济底数调查 人口及经济文化运行信息调查与特征分析 4.2 地震灾害风险评估
地震灾害风险评估在实现减轻地震灾害风险目标和落实地震灾害风险防治措施的全业务流程中起着承上启下的作用，以地震灾害风险调查为基础，最大限度地了解地震灾害风险特征，为地震灾害风险防治和应对提供有力支撑。地震灾害风险评估业务内容及组成元素分解结果如表2所示。
表 2 地震灾害风险评估业务内容及组成元素分解结果Table 2. Components of earthquake disaster risk assessment sequence业务 组成元素 备注 活动构造地震危险性评价 断层活动性鉴定 地震危害性评价 场地地震危险性评价 工程场地地震安全性评价 可再细化 区域性地震安全性评价 可再细化 地震小区划 可再细化 地震危险性
区划地震构造模型建立 地震动衰减关系/地震动预测模型建立 概率地震危险性分析 场地地震效应模型建立 地震危险性分区 是灾害风险
区划的基础场地地震动参数调整模型建立 地震动参数分区及图件编制 海域地震动参数分区及图件编制 地震重点监视防御区确立 地震灾害风险区划 地震地质灾害风险区划 可再细化 地震人员伤亡风险区划 可再细化 地震经济损失风险区划 可再细化 抗震能力评估 建筑物易损性分析 构筑物易损性分析 工程结构健康监测 生命线工程系统功能易损性分析 建设工程易损性模型建立 经济社会易损性分析 抗震韧性评价 建筑物抗震韧性评价 构筑物抗震韧性评价 城市抗震韧性评价 可再细化 地震灾害
预评估区域性活动构造调查及地震危险性评价 强震源识别及地震动影响场确立 承灾体基础数据调查 目标区承灾体抗震韧性分类评估 设定地震人员伤亡和直接经济损失估算 设定地震次生灾害预测 设定地震应急响应能力评价 地震破坏情景构建及动态推演 4.3 地震灾害风险防治
广义地，可将地震灾害风险管理过程的多数业务理解为地震灾害风险防治。但一般地，仅在风险评估的基础上，将基于风险偏好采取的减轻风险的预防和治理措施作为灾害风险防治业务内容。通过科学地规划与选址、合理的抗震设防措施、有效的运行维护措施，人为控制承灾体暴露度和脆弱性。通过对地震地质灾害危险点和潜在的地基危害进行治理，进一步降低次生灾害带来的危险。地震灾害风险防治既要对新建、改建、扩建工作做好预防，又要对既有房屋设施做好隐患排查及治理，实现综合降低灾害风险。地震灾害风险防治业务内容及组成元素分解结果如表3所示。
表 3 地震灾害风险防治业务内容及组成元素分解结果Table 3. Components of earthquake disaster risk prevention sequence业务 组成元素 地震防灾减灾规划 防震减灾规划 特大城市和城市群抗震韧性规划 地震灾区恢复重建规划 地震应急避难场所建设规划 建设工程抗震设防 建设工程抗震设防风险水准分类 建设工程地震安全性评价目录编制 建设工程活动断层避让 建设工程选址和抗震设计 建设工程施工与监理 抗震新技术推广应用 灾害隐患治理 建筑物抗震性能鉴定与加固 生命线工程地震灾害隐患排查与治理 地震地质灾害及其他次生灾害治理 地震灾害隐患治理对策效益评估 4.4 地震灾害风险应对
地震灾害风险应对是在地震已经发生或地震危险即将施加于承灾体时，人们即将面临地震灾害损失的现实而采取的紧急减灾对策，或为可能面临的灾情而做的一系列行动准备。地震灾害风险应对业务内容及组成元素分解结果如表4所示。
表 4 地震灾害风险应对业务内容及组成元素分解结果Table 4. Components of earthquake disaster risk response sequence业务 组成元素 地震应急准备和行动 地震应急预案编制 地震应急响应能力建设 地震应急物资储备 地震紧急抢险救援 地震灾民救助与安置 地震灾情应急快速评估 地震影响范围快速评估 地震灾害快速评估 地震灾害现场调查 建筑物与生命线工程震害调查 地震次生灾害调查 发震构造调查 地震宏观异常调查 地震社会影响调查 地震烈度调查与分区 地震人员伤亡及原因调查 地震灾害损失统计与评估 地震现场建筑物安全鉴定 地震应急科考 地震应急演练与避险服务 地震应急演练 地震应急避难与避险行动指导 志愿者服务 科普教育与群测群防 科普教育基地建设与评估 科普教育活动 群测群防业务 地震保险 地震保险服务 地震保险产品设计 5. 总结与建议
按照风险管理原则，本文在明确地震灾害风险基本概念的基础上重构了震害防御业务流程，并以地震灾害风险调查、评估、防治与应对为基本架构，建立了震害防御业务体系架构，分序列梳理出相应的业务内容及组成元素。通过结构化的层次和序列模型揭示震害防御内涵与外延，为震害防御业务工作管理和标准化提供参考。
建议在震害防御业务体系架构建立的基础上，按照标准体系构建原则和要求，制定震害防御标准体系表，为进一步推进防御与减轻地震灾害标准化工作奠定良好基础。
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图 1 屈服消能摇摆双层框架墩结构
Figure 1. The double-deck rocking bridge system with additional yielding dampers
图 2 附加外置阻尼器的摇摆双层框架墩结构分析模型
Figure 2. The analysis model of double-deck rocking bridge system with additional yielding dampers
图 3 现浇结构有限元模型
Figure 3. The finite element model of cast-in-place double-deck frame structure
图 4 Ricker小波作用下本文模型与文献中模型的倒塌加速度谱对比
Figure 4. Comparison of overturning acceleration spectra between the analytical model and reference model
图 6 Northridge 地震动作用下各类结构的漂移率时程反应
Figure 6. Typical drift response of various systems under the Northridge earthquake motion
图 7 Cape Mendocino地震动作用下各类结构的漂移率时程反应
Figure 7. Typical drift response of various systems under the Cape Mendocino earthquake motion
图 8 Duzce 地震动作用下各类结构的漂移率时程反应
Figure 8. Typical drift response of various systems under the Duzce earthquake motion
表 1 结构参数
Table 1. Parameters of structure
类别 桥墩宽高比 α 桥墩尺寸参数 R/m 上层结构固有频率 ωs/(rad·s−1) 下层梁墩质量比 γ1 上层结构墩质量比γ2 参数范围 0.1～0.3 3～10 5～50 2～12 2～12 参数增量 0.02 1 5 1 1 
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