连续倒塌是指结构局部或部分构件发生失效而引起相邻单元呈现不成比例的倒塌，是一种结构极端破坏形式，其发生对结构物本身及人身、经济、安全都会产生巨大影响。作为重要生命线工程之一，桥梁工程发生倒塌引起的后果较一般结构更为严重。通过1905年至今的105起桥梁倒塌案例的统计分析，可了解到引发桥梁倒塌的主要原因(按发生频率排序)有人为因素(施工设计及运营不当)、船撞、洪水、过载、车辆撞击、疲劳和风等作用。需要指出的是，上述案例多为早期小跨度桥梁或为大跨度桥梁非主体部分的事故，涉及大跨度桥梁的相关事故案例相对较少，但这并不意味着大跨度桥梁不存在此类问题。相反，由于具有跨径大、设计使用寿命周期更长、服役环境更复杂多变及灾变后果的严重性，大跨度桥梁的连续倒塌问题更应得到重视。

大跨度桥梁多为低次超静定结构，具有更为显著的单点易损性，其发生连续倒塌的风险比普通桥梁更大。为进一步掌握目前大跨度桥梁连续倒塌分析与设计领域的研究进展，本文从各类灾害的概率描述、灾变分析及抗连续倒塌设计理论与方法依次展开论述，结合灾变损伤演化规律及桥梁整体性能设计的理念进行综合评述，并提出进一步研究的思路和展望。

1??灾害作用与灾变损伤机理

1.1??地震

地震对桥梁结构的损伤主要源于地面震动和砂土液化。地面震动会造成结构本身发生动力响应，引发内力、疲劳及稳定性问题，砂土液化主要造成地基沉降发生变形引起次应力，从而造成主梁、桥塔等部分损坏。而在大跨度桥梁中，地震动序列的影响、行波效应与多点激振、土体–结构相互作用及地震引起的锚碇松动或失效等问题更加突出。对柔性的悬索桥，悬吊体系动力响应通常较小，其地震损伤主要集中在桥塔上，桥塔纵向位移最大点和桥塔底部为潜在的塑性铰区域，当塔底截面率先进入塑性阶段后，塔底截面刚度迅速降低，地震力向塔身转移并形成塑性铰，最终呈现机构特征，新的塑性铰不再产生。对于斜拉桥，地震惯性力主要集中在桥面系，通过斜拉索和支座传递给桥塔、边墩，再传递给基础，最后传递给地基。对于不同形式的塔、索、梁连接方式，对应的结构地震力传递方式有所不同。与普通跨径桥梁的三水准抗震设防要求不同，在大跨度桥梁抗震设防标准方面，国内外相关规范均建议采用两水准抗震设防水准。美国ATC-18建议在遭遇较低水平（使用寿命内超越概率30%~50%）地震时，大跨度桥梁允许发生最小程度破坏；遭遇较高水准(100~250年基准期超越概率10%，重现期为950~2?475年)地震时，大跨度桥梁仅允许发生可修的破坏。我国CJJ 166—2011《城市桥梁抗震设计规范》将大跨度桥梁设为甲类设防等级，提出了两个水平抗震设防目标E1（重现期475年，设计基准期100年情况下超越概率18%）和E2（重现期2?500年，设计基准期1?000年情况下超越概率4%），具体设防地震作用需通过安全性评估确定。在E1地震作用下要求结构反应在弹性范围内，E2地震作用下结构局部可发生轻微损伤。与普通桥梁不同的是大跨度桥梁需考虑竖向地震作用，并对三向地震动进行耦合。

1.2??船桥碰撞

当陆上交通线与水上交通线交叉时，由于人为或自然条件的原因，跨越水域的桥梁墩台甚至桥面系有可能面临来自通航船舶的撞击风险，尤其近年来跨海、跨江大桥的大量兴建，船撞问题已成为影响大跨度桥梁安全的重要因素之一。因此，各国规范都针对这一重要防护因素制定了相关规范。我国规范中将船撞问题视为静力荷载偶然作用，仅对设计碰撞力做出了规定，而未涉及碰撞概率问题。同时，现行各国规范大多将其视为静力作用，对大跨度桥梁和高承台桥梁问题的预测会出现较大误差。

1.3??撞击、火、爆炸

大跨度桥梁为重要基础设施，对国民经济、军事等方面均具有重大意义，有可能成为军事攻击和恐怖袭击的主要潜在目标，具体手段包括导弹袭击、炸药爆炸、飞行物撞击等，此类作用具有作用点任意性极强、荷载水平高、作用时间短、损伤范围不可控等特点，一旦出现往往会对结构造成极大威胁。撞击体本身的巨大动能首先会对结构产生强烈冲击而出现局部损伤；其次撞击体在撞击后由于燃油燃烧、爆炸物爆炸产生的热量会使损伤结构的力学性能进一步退化，可能诱发桥梁整体结构连续倒塌。研究表明，对作用于不同位置、不同程度的爆炸、撞击对桥梁的影响机理有较大差别，Son和Astaneh-Asl针对发生在斜拉桥和悬索桥的正交相异性桥面上的爆炸问题进行研究，指出爆炸发生后结构位移及P-Δ效应是影响结构全局行为的主要参数。因此，当大跨度桥梁结构面对撞击、爆炸、火等因素威胁时，由于其跨越特性和突出的单点易损性，仅通过提高抗震能力来提高此类作用下抗连续倒塌能力的效果有限。

2??桥梁连续倒塌分析

连续倒塌仿真分析方法主要包括修正有限单元法、散体单元法、显式动力有限元模拟法等。修正有限单元法通过特殊单元，如界面单元、节理单元和奇异等参元、混合铰等单元来考虑不连续位移场结构单元、接触碰撞分析等问题，是对传统有限元的一种补充。基于离散块体集合的散体单元法可考虑单元的接触与分离，从最初用于岩体断裂问题逐步被应用于结构的倒塌分析中。通过求解显式动力方程来获取结构大变形、大转动响应的显式有限元方法得到了越来越多的发展。由于大跨度桥梁结构的质量、刚度等与建筑结构有较大不同，因此其连续倒塌分析有自己的特点。

Zoli和Steinhouse指出，相对于中、小跨径桥梁，大跨度桥梁的低冗余性使其单点易损性更加凸出。由于大跨度桥梁结构荷载的复杂性、耦合性及偶然因素的不确定性，在桥梁连续倒塌分析中，该特性可用于特定单元构件损伤条件下的连续倒塌问题。在大跨度桥梁连续倒塌分析中，动力效应和材料非线性问题需重点考虑。对破坏准则的选择，考虑到大跨度桥梁构件破坏需经历塑性阶段，变形准则和变形/能量双重准则比强度准则更适用。对地震、风等导致结构发生振动产生往复荷载的灾害作用下的连续倒塌进行分析，能量准则、疲劳准则及变形/能量双重准则有一定的适用性；而对船撞、汽车撞击等冲击荷载及火、锈蚀等灾害作用，由于以静力作用为主，以上三种准则适用性较低。

失效单元的处理是桥梁连续倒塌分析中的重点和难点。目前，大跨度桥梁连续倒塌分析多集中于以斜拉桥索结构作为初始损伤单元的连续倒塌问题，由于索结构自身质量小，失效后掉落对剩余结构的冲击作用较小，可不考虑接触碰撞问题。然而，当初始损伤单元位于桥塔、主梁及墩台等下部结构时，一旦失效，初始损伤单元本身及该单元支撑的上部单元的自重和荷载作用会对结构产生巨大的碰撞力，对结构剩余部分产生显著作用，这对模拟连续倒塌过程有重要意义。然而这一问题在桥梁连续倒塌中较少被涉及，需进一步深入研究。

目前大跨度桥梁连续倒塌的研究主要包括两类内容，一是对已发生的连续倒塌桥梁案例(如焊接不良导致I-35W钢桁架桥连续倒塌、风振失稳导致Tacoma Narrows悬索桥倒塌等)进行分析总结，研究倒塌发生原因及倒塌发生后的作用机制；二是针对特定桥型某一部位发生失效的情况下，数值模拟残余部分的抗倒塌性能，即采用备用传力路径法，对单点或多点进行单元移除，进而分析剩余结构性能，判断连续倒塌情况，从而给出抗连续倒塌设计建议或防护措施。这类研究包括了很多特定失效模式的模拟，然而对失效模式、灾害问题与连续倒塌的关联性和问题中包含的不确定性因素引发的概率问题则较少被提及，也未形成可用于工程设计的指导方法；关于悬索桥连续倒塌问题的研究也基本处于空白状态。

3??大跨度桥梁抗连续倒塌设计方法

关于抗连续倒塌设计，在建筑结构方面的研究工作开展得较多，Leyendechker和Ellingwood于1977年提出了建筑结构抗连续倒塌设计的三类方法：间接设计法、直接设计法和事件控制法，且部分规范中形成了相应的条文。英国规范提出了拉结强度设计、构件的跨越能力设计、关键构件设计三个层次的设计方法，并要求结构需具备承受一定水平荷载的能力。欧洲规范EuroCode 1则从结构本身以外的角度提出了设计方法，包括降低意外事件的发生概率、减轻意外事件对结构的破坏作用、增加结构强度等。美国规范中有多个规范涉及到连续倒塌问题，如美国混凝土协会ACI 318M-02虽未直接提及连续倒塌设计方法，但包含了提高结构延性和结构整体性的措施，包括通过满足拉结力要求、优化钢筋设置等方式提高结构抗震性能，这些措施均能提高结构抗连续倒塌能力；美国公共服务管理局也提出了一些连续倒塌分析的方法，如提出了一个判断建筑是否可以免于进行抗连续倒塌分析的流程及对应的分析方法；美国国防部 则就具体连续抗倒塌设计提出了设计方法，提出了针对不同设防等级的拉结力设计、备用传递路径设计等不同等级的设计方法。相比之下，针对于大跨度桥梁的抗连续抗倒塌设计方法较少，尚未形成系统的规范方法用于设计指导，仅在部分斜拉桥设计规范中包含对斜拉桥断索导致连续倒塌问题的相关条文。目前相关研究工作基本思路大致与建筑结构的做法相似，考虑到大跨度桥梁的服役特点，在具体操作时应有所变化和侧重，具体做法如下。

3.1??直接设计法

应用AP进行特定桥梁结构连续倒塌的特定分析设计已被广泛应用，但多为理论分析，且仅针对特定位置的单元移除或损伤，不能考虑损伤发生位置的随机性，因此还需进一步完善设计指导，需将连续倒塌的随机性因素纳入分析中。Son和Astaneh-Asl[3]通过对多种设计方案比较就大跨度桥梁的爆炸防护提出了一些建议，使用直接设计法从关键单元控制和桥型选择两个角度考虑了提高悬索桥与斜拉桥抗连续倒塌能力的方法。

3.2??风险概率控制

借鉴非结构法，通过改变结构可能遇到的偶然作用发生概率、对薄弱部位的保护、减小偶然危害的严重程度等方面提高大跨度桥梁的抗连续倒塌能力，如2007年在墨西哥Mezcala Bridge发生的汽车撞击导致桥索断裂，由于及时采取措施控制了危害，避免了结构连续倒塌。Williamson和Winget综合事件控制法和直接设计法，从人为管理防护和设计两个角度考虑了提高桥梁抵抗恐怖袭击(爆炸、汽车撞击)的抗连续倒塌方法。

3.3??提高鲁棒性

结构鲁棒性很大程度上决定了在面临部分结构或构件失效时能否保证结构整体的稳定。Wolff 和Starossek共同研究了斜拉桥的鲁棒性，之后Starossek还研究了桥梁结构抗连续倒塌能力与鲁棒性之间的关系，并提出了依靠提高鲁棒性来实现提高桥梁抗连续倒塌能力的设计思路。Biondini以钢筋混凝土为例研究并提出了一种评估桥梁鲁棒性的方法。提高鲁棒性的具体措施包括提高单元强度、增加拉结力单元、建立备用的传力路径和约束等方式增加结构的整体性等。

3.4??易损性控制

通过估计结构已受损的构件，根据易受损关键单元在偶然作用下的局部抗力来计算单元发生失效或破坏的概率，即易损性；通过评估各单元的易损性，绘制整个结构的易损性曲线或制定易损性函数，进而推断结构的抗连续倒塌能力。Chang和Yan对单塔斜拉桥及双塔斜拉桥的拉索破坏进行易损性研究，并得出了特定情况下连续倒塌的路径。易损性的提高可通过改变受力路径等方式来实现。

3.5??失效区域控制

通过设计手段将失效机构控制在一定范围内，或使结构各部分保持一定的独立性，使局部单元的失效不会导致相邻单元连续失效，通过建立替代传力路径和退出路径的方式可控制失效的传递。Ghali和Tadros针对加拿大Northumberland Strait大桥的研究表明，对多跨桥梁，要求保证一旦其中一单跨局部发生倒塌时，必须将倒塌范围控制在该单跨内，不得向相邻边跨发展。这一作法可控制失效区域，限制损伤的进一步蔓延。

4??大跨度桥梁抗连续倒塌规范制定

虽然现有桥梁设计规范中尚无明确、系统的规范条文针对抗连续倒塌设计，但也包括了针对地震、风、船撞等灾变效应的防护设计。然而，在目前相关研究中，灾变行为和连续倒塌分析的研究基本是分离的，针对连续倒塌的研究多为无源性灾害造成的构件损伤或失效，而针对灾变行为的研究往往不涉及损伤引发的连续倒塌问题。大跨度桥梁抗连续倒塌规范条文制定体现在新建桥梁考虑抗连续倒塌问题的设计方法和既有桥梁的抗连续倒塌防护设计。参考建筑结构抗倒塌规范的制定，可着重考虑以下问题。

4.1??建立与结构重要性相关的安全性等级

对结构可能遭受的灾害作用需通过一定的方式予以估计，这是连续倒塌分析的前提。可依据桥梁结构的重要性，并结合相关外部条件作为主要依据进行评估，因而需引入安全性等级作为评估的定性衡量标准，以确定抗连续倒塌设计中选用的灾害水平。结构自身重要性由该桥梁本身的经济社会价值、桥梁使用情况、桥梁结构类型的易损性及其他特殊耐久性要求等因素决定；结构环境外部条件则由桥梁选址位置的水文、地质、气象、航运情况等条件决定。以上因素基本属于确定性因素，在明确上述要求后可联合结构自身重要性和环境外部条件考虑划分结构安全性等级，针对不同安全性等级拟定出对应的抗连续倒塌设计荷载和拉结力校核标准，并以此作为设计分析依据。

4.2??综合优化设计

对于灾害引起的连续倒塌，可先通过控制灾害发生和减小灾害对结构的影响作为基本的非结构设计方法。例如通过管理手段控制意外过载、汽车撞击、船撞等事件的发生，通过安全监控系统尽可能避免恐怖袭击、飞行物撞击等事件的发生。在选址时避免位于断层、强风带等灾害高风险区域，从灾害源方面减少连续倒塌风险；优化结构体型，例如采用控制拉索布置形式、改变构件外形等方式减少灾害作用对结构的损害；增加额外的防护措施，例如桥墩增设主动和被动防护层，以避免水流、船撞对桥墩的威胁等方式。

4.3??构件拉结力设计

拉结力可以保证结构的整体性和延性以及改变传力路径的能力，桥梁结构的跨越性特性，决定了在进行拉结力判定时，必须优先满足水平方向拉结力的连续性要求。对于大跨度桥梁，由于一些桥型通过竖向拉结力来满足结构的水平拉结力需求(斜拉桥和悬索桥)，需保证其多向拉结力的连续性。设计时可根据结构重要性确定构件所需拉结力性能水平和具体参数，在完成常规设计后验证各构件拉结力水平是否满足要求，若不满足则需对构件进行加固设计，也可在构件的设计中采用优化方法以获得更优的内力分配形式，以保证其具有足够的抗倒塌能力。这一方法不能独立作为桥梁抗连续倒塌设计方法，需结合具体情况进行备用传递路径要求设计和延性要求设计。

4.4??备用传递路径设计

多数情况下，仅通过提高拉结力来保障大跨度桥梁抗连续倒塌能力偏于保守。从经济性和实用性角度来考虑，往往允许构件发生局部损伤或破坏，但此时要求通过备用传递路径限制损伤的进一步扩散，以保证受损结构的整体性，提高抗倒塌能力。针对可能引发连续倒塌的易损单元位置，需要在满足拉结力要求的基础上进行备用传递路径的校核，即验证构件发生损坏后的抗连续倒塌性能，具体实施为针对特定单元进行单元移除，验证单元移除后的结构破损限度是否超过保持其整体性和完整性的最低限度。对移除单元的选择，除借助有限元等分析方法确定典型易损单元外，还需考虑控制单元，如斜拉桥的拉索和悬索桥的悬索等。考虑到移除单元后的损伤演化分析过程较复杂，对移除单元的选择需要尽可能简化。对失效构件移除后的荷载关系问题也需重点考虑，可将原荷载放大作用于相邻单元或缩小相邻单元的单元截面面积，以体现内力重分布的动力放大效应。

5??未来研究重点

目前，对大跨度桥梁连续倒塌问题的研究还存在很多不足，在未来的研究中可将以下三个方面作为研究重点。

5.1??灾害作用与灾变机理深化研究

针对引发大跨度桥梁连续倒塌的灾害，其研究需进一步深化，包括对灾害概率、强度的分析，大跨度桥梁灾害作用下的损伤机理，易损性参数的分析方法、灾害耦合作用的研究及相关参数的确定等；对一些特定灾害，需考虑其部分特性在大跨度桥梁问题下的影响变化，例如船撞的动力作用、地震作用的行波效应和多点激振等，对普通桥梁或建筑结构的影响作用虽不明显，但对大跨度桥梁可能产生较大影响，相关问题还需进行深入研究。

5.2??大跨度桥梁结构倒塌分析方法发展

高效准确的分析方法是研究大跨度桥梁连续倒塌问题的重要前提，目前各类连续倒塌分析方法多基于建筑结构，未充分考虑大跨度桥梁结构的特性，在效率和合理性上尚存在不足，对各类灾害的描述也存在问题，需在今后的研究中加以改进。

5.3??抗连续倒塌设计方法确立

本文提到的设计方法仅是基于建筑结构的抗连续倒塌设计方法，且在具体问题的处理上尚不成熟。对实际规范中抗连续倒塌设计方法的制定，还需考虑大跨度桥梁的特性和灾害的性质，以便制定完善有效的设计方法，其中包括对具体设计方法验证标准的确定、大跨度桥梁结构失效概率计算方法的研究等，也可从其他角度提出新的更合理的设计方法，以实现规范的制定和对实际工程的指导作用。