4.2.6 抗震抗撞性能评估
我国是世界上多震国家之一，对桥梁做出符合实际的震害预测和易损性估计，对提高综合抗震救灾能力是非常重要的。此外，桥梁撞击是影响桥梁建设和运营的一个关键问题。随着公路、铁路等交通基础设施快速发展，桥梁碰撞的风险也日趋加大，对桥梁的抗撞性做出准确的评估也成为迫切所需。
（1）抗震评估理论从静力弹性分析到动力非线性分析，逐渐成熟。
随着人们对地震作用机理和桥梁结构破坏规律认识的不断深入，桥梁的抗震理论经历了从静力弹性分析、动力弹性分析、静力非线性分析到动力非线性分析方法等阶段。这些方法可归纳为弹性分析方法和弹塑性分析方法。
弹性分析方法包括静力弹性分析、弹性反应谱分析和线性时程分析方法。静力弹性分析方法最初由日本学者大森房吉在1899年提出，此方法是将等效的静力荷载代替结构在地震强迫作用下的地震力，通过假设结构的各个部分与地震动具有相同的振动形式，结构因地震作用引起的地震力就等于地面加速度同其质量的乘积，将计算得到的等效静力作用于结构上，进行结构的弹性静力计算。20世纪40年代，美国学者M.A.Biot提出采用地震记录反应谱的概念；50年代初，G.W.Housner提出了基于加速度的地震反应谱，并将其应用于抗震设计，沿用至今。20世纪50年代末期，Housner实现了地震反应的动力计算方法，动力时程分析方法可以反映结构在不同地震时刻的各个支点的位移、速度、加速度和结构的内力，克服了反应谱分析中只能反映结构的最大值而不能反映出内力等随时程变化的缺点，线性时程分析方法首先被提出。
经过合理抗震设计的桥梁结构在常遇地震作用下处于弹性阶段时，其刚度并未有发生较大的改变，因此可以通过上述弹性分析方法得到结构较为准确的地震响应；然而其缺点在于不能反映桥梁在强震作用下进入弹塑性后的力学行为。为此，包括静力弹塑性分析方法（Pushover分析方法）、非线性动力时程分析方法、逐步增量分析方法（IDA分析方法，Incremental Dynamic Analysis）在内的弹塑性分析方法在近年来得到了广泛的研究和应用。
静力弹塑性分析方法早在20世纪70年代最先由Freeman等提出。经过国内外很多学者数十年的研究，人们对静力弹塑性分析方法的基本原理、实施步骤、优点及局限性有了较为全面的认识，广泛应用在结构的地震风险和抗震评估方面。作为一种简化的非线性分析方法，静力弹塑性分析方法能够从整体上把握结构的抗侧力性能，对结构关键单元进行评估，找到结构的薄弱环节，从而为设计改进提供参考。同时可以获得较为稳定的分析结果，减小分析结果的偶然性，花费时间和劳力较少，有着较强的实际应用价值。静力弹塑性分析方法的缺点在于，在分析过程中未考虑结构在反复加载过程中损伤的累积及刚度的变化，不能完全真实反映结构在地震作用下的性状；并且结构在分析时需要确定一个合理的目标位移和水平加载方式，这两者的选择会极大地影响分析结果的准确程度。近年来，许多学者针对各类不同构造的桥型，对目标位移和水平加载方式的选择进行了大量研究，以期获得更加准确的抗震性能分析。
非线性动力时程分析方法是考虑结构非线性行为的动态时程分析方法。由于结构进入非线性之后，线性分析和静力弹塑性分析结果不可能完全真实地反映结构进入非线性的响应结果，因此可以采用非线性动力时程分析方法通过直接积分获得完整的结构屈服机制、薄弱部位、结构的延性和破坏特征。其缺点在于时程分析的结构与所选取的地震动输入有关，分析的结果对地震的输入、结构计算模型、非线性计算方法和结构的滞回性能等因素较为敏感；再者非线性动力分析计算量非常大，对计算机要求较高。目前为了简便地对结构的抗震性能进行精确分析，有学者将静力弹塑性分析方法和动力时程分析方法相结合使用：通过静力弹塑性分析得出结构的最大位移，然后选择相对较少的地震动记录进行动力弹塑性分析，调整地震动峰值，使结构顶点的位移与静力弹塑性分析得到的目标位移，再采用各条地震动记录进行动力分析结构的抗震性能。
增量动力分析方法的基本概念早在1977年就由Bertero等提出。近年来，随着计算手段和方法的进步，许多学者对其进行了发展和完善，尤其是Vamvatsikos的工作将其推向了实用化。增量动力分析方法本质上是一种参数分析方法，通过该分析方法，可以更好地了解罕遇或相当严重的地震动对结构的影响；可以更好地了解结构响应特性随地震动强度增长的变化情况，如最大变形沿结构高度的变化、强度及刚度退化的起始及方式和幅度；可以更好地估计整体结构体系的性能状态；通过多记录增量动力分析研究，可以了解结构响应参数对地震动记录的敏感性。但是增量动力分析方法与地震动的特性有着重要的关系，要真实地分析结构的抗震性能，需要采用足够多数量的地震动，也就会增加计算量。此外，在增量动力分析方法中，如何合理地选择能反映地震输入强度（IM）与结构的特征损伤指标（DM）是很关键的。这也是目前研究的热点问题之一。
综上所述，在计算能力提高的带动下，结构抗震分析方法逐步从弹性分析方法向非线性分析方法发展。非线性分析方法作为目前桥梁抗震设计和评估发展的一个新的层次，未来也将得到进一步研究和应用。
（2）我国对抗撞评估研究处于初级阶段，仍有较大的研究空间。
桥梁在服役运营阶段，根据受力源的不同，可以将撞击简要分为船撞、落石撞击、车撞三类。后两者的撞击发生概率相对较小或对梁体的损伤较轻，本节不展开论述。而船撞发生频率高，其导致的桥梁损伤、倒塌危害大，引起了社会的广泛关注。现在，正在开展的全国桥梁承载体防撞评估正体现了我国对此问题的关注。交通运输部近年来陆续出台了《公路桥梁抗撞设计规范》《桥梁通航安全风险及抗撞性能综合评估工作及技术指南》等相关规范指南，全国各地也纷纷提出了船舶碰撞桥梁隐患治理方案等文件。目前，各国相关研究主要集中于撞击风险计算、桥梁船撞试验及用于桥梁船撞分析的方法等。
关于船撞桥风险分析问题，美国AASHTO桥梁设计规范最早引入风险思想指导桥梁船撞设计，对离船只航迹中线3倍设计船只总长以内和以外的桥梁重要构件分别采取了风险设防和常规设防两种方法。欧洲规范在桥梁设计船撞力方面给出了确定性分析法和风险概率分析法。前者以表格和公式的形式给出确定的设计船撞力值；后者与美国规范类似，但没给出船撞概率计算方法和目标风险接受度，倒塌概率计算也只是理论模型。中国现行的公路桥梁设计规范参照欧洲规范中的确定性分析情形，明确了桥梁抗船撞的设计原则，规定了不同等级内河航道和通航海轮航道的船撞力设计值，但没有像欧洲规范那样给出由简单到复杂分别适用于不同等级的结构分析需要的船撞力。目前国内基于《公路桥涵设计通用规范》这一当前公路桥梁设计的基本原则和统一标准，交通运输部发布了《公路桥梁抗撞设计规范》，为桥梁抗船撞设计提供可行或具体技术方法，提出了降低船撞风险的总体要求、降低船撞效应的结构性防船撞设施要求和基于性能的抗撞设计方法。
关于桥梁船撞试验研究，近年来随着桥梁船撞问题被广泛关注，针对桥梁的船撞试验陆续得到开展，主要可分为足尺实船碰撞试验、缩尺水平碰撞试验、基于摆锤的冲击试验、基于落锤的冲击试验四种类型。这些试验提供了重要的一手资料，为揭示船舶与被撞结构相互作用机理及船撞下结构的力学行为提供了帮助。
目前，主要用于桥梁船撞分析的方法有规范静力法和基于非线性接触有限元技术的数值法。规范静力法通常将船撞作用假定为等效静力荷载施加于被撞位置处，并由此确定结构的船撞响应。然而，大量实验与数值表明，规范静力法不能反映碰撞过程中船-桥动力相互作用的本质，没有考虑结构惯性效应的影响，将导致结构相应被低估。为此，许多研究利用非线性有限元技术建立精细化的船舶与桥梁模型来模拟船-桥碰撞过程。相比于规范静力法，该方法可以反映船-桥动力相互作用的全过程，能较为真实地估计船撞下桥梁结构的需求和能力。但同时，该方法也有着计算效率低、对使用者要求高、材料模型的局限性等缺点，难以广泛应用于船撞设计和评估中。考虑到上述两种方法的不足，介于两者之间的分析方法也是此领域未来发展的热点方向之一。
综上所述，桥梁船撞研究处于非常初级的阶段，在实用规范、桥梁船撞试验及用于桥梁船撞分析的方法等方面还有着较大的研究空间，期待此领域能得到进一步完善和发展。