桥梁易损性研究述评_申选召

22卷2期

2006年6月世　界　地　震　工　程WORLD E ARTHQUAKE E NGI N EER I N G Vol .22,No .2Jun .,2006收稿日期:2006-02-26;　修订日期:2006-05-10

基金项目:国家公益性研究专项(2004D I B 2J068),中国地震局合同项目和四川省科技攻关项目(05SG031-004-02)

作者简介:申选召(1982-),男,硕士研究生,主要从事防震减灾与防护工程研究.

文章编号:100726069(2006)022*******

桥梁易损性研究述评

申选召1林均岐1李谊瑞2　胡明袆1

(1.中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨150080; 2.四川省地震局,四川成都610041)

摘要:论述了国内外桥梁易损性分析研究的概况,对国内外桥梁易损性分析的主要方法进行了较为全

面的论述,包括经验统计法,规范校核法,Pushover 分析方法,基于神经网络的方法和基于模糊数学和

灰色系统理论的方法等,同时提出了存在的问题和今后尚需开展的研究工作。

关键词:桥梁;易损性;震害预测

中图分类号:P315 文献标识码:A

St a te 2of 2the 2art of stud i es on vul nerab ility of br i dges

SHE N Xuan 2zhao 1L I N Jun 2qi 1L I Yi 2rui 2

　HU M ing 2yi (1.I nstitute of EngineeringMechanics,China Earthquake Adm inistrati on,Harbin 150080,China;

2.Eathquake Adm inistrati on of Sichuan Pr ovince,Chengdu 610041,China )

Abstract:I n this paper,the state -of -the art of studes on the vulnerability of bridges is revie wed .The main methods f or vulnerability analysis of bridges are intr oduced co mp rehensively,including the hist orical earthquake da mage statistical method,seis m ic code method,pushover analysis method,method based on neural net w ork,method of fuzzy mathe matics and gray syste m theory,and s o on .The research works need t o be done in the future are p resented .

Key words:bridge;vulnerability;earthquake da mage p redicti on

1　引言

桥梁是交通运输的枢纽工程,在抗震救灾中处于极其重要的地位。历史上多次大地震给桥梁造成了十分严重的破坏[1],1906年,美国旧金山大地震中一座铁路桥倒塌,另外还有5座桥梁失去使用功能,桥台向河心滑移,桥墩横、纵向移位或扭转。1923年,日本关东大地震中,6座不同类型的桥梁(3座钢桥、2座钢筋混凝土桥和1座木桥)被破坏,主要原因是基础土层比较软弱,桥墩和桥台发生倾倒、滑移。1948年,日本福井地震中4座桥梁倒塌,243座桥梁发生震害。1971年美国圣费南多地震中有60座以上的桥梁发生了不同程度的破坏,7处发生落梁。据统计,在1976年我国唐山地震中,在Ⅶ至Ⅺ度区内的130座大中型钢筋混凝土梁式桥中,倒塌18座,严重破坏20座,中等破坏34座。1989年,美国Loma Prieta 地震造成加州北部地区80多座桥梁损坏,桥梁方面的损失近3亿美元。1994年,美国加利福尼亚州南部的Northridge 地震使170座桥梁受到了诸如桥墩开裂、桥台台后填土下沉等不同程度震害,其中7座桥梁局部落梁倒塌。1995年日本阪神地震对于桥梁的破坏更加严重,共有9处落梁或是接近落梁,16处发生严重破坏。连接大阪和神户的重要通道大阪神户高速路上的1300多跨桥梁受到不同程度的震害,使该高速路长期关闭。这次地震中,桥

梁结构最触目惊心的震害是阪神高速路上位于Fukae 的18跨桥梁由神户一侧向Fukae 一侧全部倾倒倒塌;阪神高速路上的另一座桥梁因柱头处脆性剪切破坏折断而使两跨发生落梁。1999年,我国台湾集集大地震中,地震区的近千座桥梁中,有20%左右的桥梁受到不同程度的损害,大约有20座桥梁因主要结构构件严重受损或落梁而被列为严重损坏。

地震中桥梁不仅本身受到破坏,同时由于它的破坏,给抗震救灾工作的开展造成了很大的困难,因此,桥梁在地震中的安危对抗震救灾工作极为重要。由于过去对桥梁抗震不重视和设防标准偏低,我国已建的大部分桥梁的抗震能力是很低的,因此开展桥梁的易损性研究工作是十分必要的。桥梁易损性可以为交通系统可靠性分析、损失评估以及桥梁加固优先级评价和地震应急决策提供必要的依据,是城市防震减灾重要的基础性工作之一。

2　桥梁易损性分析方法

目前,桥梁易损性分析方法主要有:经验统计法、规范校核法、Pushover 法、基于神经网络的方法、基于模糊数学和灰色系统理论的方法等。

2.1　经验统计法

经验统计法是先根据历史震害经验、桥梁抗震理论及桥梁样本所提供的资料,选择影响桥梁震害的主要因素,再根据大量样本进行各影响因素的影响方式和权值的统计回归,从而建立桥梁易损性分析方法

[2]。久保庆三郎[3～5]统计了遭受严重震害的30座公路桥梁资料,考虑了地震烈度、场地条件、液化、上部结构类型、支座类型、墩台高度、孔数、支承宽度、基础形式、墩台材料10个影响因素,通过定义它们的易损性指数进行相乘,如果得到的值大于30,则桥梁是危险的,有可能落梁。

日本1986年公路桥梁抗震鉴定提出的最新公路桥梁易损性分析方法[6]是在上述方法基础上,根据124

座遭受地震破坏的桥梁资料,选择设计规范、上部结构类型、上部结构形式(曲梁桥和直桥梁)、上部结构材料、桥轴线坡度、抗落梁措施、基础种类、桩高、场地条件、液化、持力层不均匀性、土层杂质、基础材料、基础种类、地面运动强度15个影响因素,利用统计学方法得到了经验公式。该方法在定性分析基础上还包含了主筋跨中截面和桥墩剪应力的少量计算要求。上部结构类型中含有斜拉桥和悬索桥,未考虑地震烈度因素,其隐含假定为地震动峰值在0.25g 以上。该方法的基本公式为:

y i =∑j ∑k δijk

x jk (1)

式中:y i 为破坏级别;x jk 表示的是第j 个项目中的第k 个子项的权系数;δijk 表示的是第i 个桥梁的第j 项目中的k 子项的相应变量。变量δijk 的定义是:如果第i 个桥梁符合j 项目中的k 子项,则δijk 为1,否则为0。权系数x jk 则是根据预测震害等级与一般震害等级之差的平方和的最小值原则确定的。

周神根等

[7]根据唐山地震272座铁路桥梁的震害资料,选定地震烈度、墩高、基础类型、场地液化情况、场地类型、跨径、跨数7个影响因素,用最小二乘原理进行多元线性回归,建立了铁路桥梁的易损性计算公式。

y =∑M j =1∑N

k =1δ(j ,k )b j ,k +∑2i =1b i x i (2)

式中:y 为桥梁易损性指数;b j ,k 为定性变量系数;b i 为定量变量系数;x i 为定量变量的数值;i 为定量变量序号;j 为定性变量序号;M 为定性变量个数;k 为定性变量类别序号;N 为第j 个变量中类别数;δ(j ,k )为表征数,定义如下:预测桥j 项目中有k 类别时取为1,预测桥j 项目中无k 类别时取为0。公式中定性变量指烈度、墩高、基础类型、液化情况、基底土质情况等震害影响因素。定量变量为桥梁长度和桥梁跨数。按照式(2)计算的结果为在[0,1]区间内分布的易损性指数,判断震害等级可由其与易损性指数代表值的接近程度确定。相应与基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏的易损性指数代表值分别为0、0.25、0.5、0.75和1.0。

王天威等[8]

提出铁路桥梁细部结构易损性分析方法,选取烈度,梁材料,桥台高和液化作为影响桥梁细

部结构震害的因素和因子,采用德尔菲法(Del phi )进行初测,应用模糊数学模糊综合评判进行终测。这一方法可以找到最薄弱的部位和最易损坏的细部结构,有目的地针对上述部位、细部结构,设计出相应的抗震加89 世　界　地　震　工　程 22卷

固方案,提出合理的施工方法,有区别地进行桥梁抗震加固,把有限的财力、物力,用于桥梁抗震加固,达到最佳的抗震效果。

朱美珍[9]根据唐山、海城、通海地震中100多座公路桥梁的震害情况,选择地震烈度、场地类别、地基失效程度、上部结构类型、支座形式、墩台高度、墩台材料、基础形式、桥梁长度9个因素,建立了公路桥梁的非线性易损性计算公式。

A =W 0∏M j =1∏N

k =1W δ(i,k )jk (3)

式中:A 为易损性指数,δ(j ,k )含义和式(2)相同,W 0及W jk 为计算系数,它们根据待测桥梁的具体资料取值。与铁路桥梁的处理略有不同的是,这里对诸因素均取作定量。对应于基本完好,轻微破坏,中等破坏,严重破坏,和毁坏的实际震害程度用数字可分别表示为:1.0,2.0,3.0,4.0,5.0。用公式(3)进行计算,其对应基本完好,轻微破坏,中等破坏,严重破坏的临界值为:1.23,2.20,3.38和4.40。建议在进行整个城市公路桥梁易损性分析时,将上述计算的易损性指数作为一次判别,然后结合被分析桥梁的现场宏观调查及设计施工资料查阅,按震害经验进行二次判别,修正易损性指数。

Buckle 等[10]利用美国从1964年A laska 地震到1991年Costa R ica 地震期间11次地震中109座桥梁震害资料,选择地面运动峰值、设计规范、上部结构类型、上部结构外形、跨中铰、桥墩类型、基础类型、墩体材料、规则性、场地条件、液化程度、支座支承长度12个影响因素,通过多参数回归分析建立了易损性指数与影响因子的经验公式,并指出地面运动峰值、液化程度、设计规范和支座支承长度是影响桥梁震害的主要因素。在Buckle 的方法中,上部结构类型也包括斜拉桥和悬索桥。该方法基本模型有两个:

模型A

y =∑N

i =1βi

g X i +C (4)

式中:y 为易损性指数,0

模型B

y =X 1∑N

i =1βi

g X i (5)

式中:X 1为有效地面峰值加速度特征值;其它参数与模型A 相同。震害程度与易损性指数对应关系如下:0—基本完好;1—轻微破坏;2—中等破坏;3—严重破坏;4—毁坏。

王东升等[11]通过引入桥梁震害预测分类,建立了桥梁震害预测一般流程,不再区分单体震害预测和群体震害预测。从桥梁易损性分析本质上看,这是属于近似地评估桥梁地震易损性的一类方法,因此作者通过联合运用各类经验统计法,扩大了经验统计法的应用范围,这与传统认为经验统计法过于粗略,仅适用与群体桥梁易损性分析的观点不同。

经验统计法不需要通过复杂计算就可以确定桥梁在未来地震中可能的破坏等级,使用起来经济方便,特别是涉及某个地区或城市大量桥梁需要进行易损性分析时。经验统计法的误差源自于桥梁震害影响因素取舍、回归公式形式、桥梁样本数、影响因素相互作用等几个方面。在现有条件下,为提高经验统计法的计算精度,可以同时采用久保庆三郎方法、日本公路桥梁易损性分析方法、朱美珍方法和Buckle 方法中的两种或两种以上方法进行桥梁易损性分析,但使用中应注意各国规范的异同,不可生搬硬套。一般情况下,久保庆三郎方法和朱美珍方法仅适用于未采取抗震设计的桥梁,日本公路桥梁易损性分析方法和Buckle 方法适用范围则广些。当采用上面两种或两种以上方法进行桥梁易损性分析时,得到的桥梁易损性等级存在明显差异时,可依据桥梁重要性不同,通过工程综合判断或分析方法予以判定。

2.2规范校核法[11]

规范校核法是先依据《公路工程抗震设计规范》(JT J004289)中的有关规定计算桥梁主要结构构件的地

震作用,然后将地震作用效应与恒载效应(重力)组合,得到结构构件的内力,并与结构构件的极限荷载(抗力)相比较,从而给出桥梁结构的震害等级。该方法的一般公式为

K =γR d (R /γm )S d (G,E )(6)

992期申选召等:桥梁易损性研究述评

式中:K为结构抗震安全系数;γ为桥梁现状折减系数;主要考虑桥梁的现状是否良好和构造措施是否完善,

γ=0.5～1.0;R

d 为为按极限状态法计算的结构抗力函数;R为材料强度值;γ

m

为材料安全系数,γ

m

=1.0～

1.5;S d为荷载效应函数;G为永久荷载;E为结构地震作用。

上式原则上适用于良好地基或采取了较完善的抗液化措施的软弱地基上的桥梁易损性分析。在液化场地而桥梁结构又未采取抗液化措施时,需要考虑液化影响,可以通过修正震害指数的经验公式对震害预测结果进行修正:

D j=R j D c j(7)式中:D

j

为修正后的结构在j度烈度下的震害指数,对应完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏的均值

分别为1,2,3,4,5;R

j 为震害指数修正系数,系通过对593座公路桥梁的震害统计资料分析得到[12]。D c

j

为j

度烈度条件下依据公式(6)计算得到的结构震害指数,与结构抗震安全系数K可近似取为分段线性插值。

规范校核法计算公式与现行规范一致,易于工程技术人员掌握和应用,但由于受规范认识局限性和破坏准则的限制,仅能隐含地反映钢筋混凝土结构延性抗震要求。因缺少统计数据,材料的真实强度往往以名义强度代替,从而带来误差。从总体上看,规范校核法属于半经验半分析的易损性分析方法。

2.3　push2over分析方法

影响钢筋混凝土桥梁震害的主要因素为结构的延性己被震害经验所证实,基于非线性静力分析的Push2 over(推倒)方法在国外桥梁结构和建筑结构抗震安全性评价中得到了较为广泛的应用[13,14]。Pushover方法较早由I m bsen和Penzien[15]等提出用于桥梁的抗震能力评估,国内学者常岭[16]等也曾提出过类似方法。

Push2over分析方法是通过对结构施加单调递增水平荷载来进行分析的一种非线性静力分析方法。该方法通常将相邻伸缩缝之间的桥梁结构当作空间独立框架考虑,上部结构通常假定为刚性。分析的初始阶段是对单独的排架墩在所考虑的方向上(顺桥向或横桥向)进行独立的倒塌分析,以期获得构件在单调递增水平荷载作用下的整个破坏过程及变形特征。之后,整个框架的分析将桥墩刚度模拟为非线性弹簧,计算出整体框架的初始刚度中心、横向刚度和转动刚度以及质心处的等效刚度。在框架质心处,通常是上部结构的质心,施加单调递增的水平力,并且随着框架非线性发展的程度,不断调整各个桥墩的刚度和结构的刚度,直至结构达到最终极限状态为止。目前,有代表性的几种是:能力谱方法、位移影响系数法和适应谱方法[17]王东升等[18]建立了桥梁破损极限状态的定量准则,对Push2over方法中的若干技术问题进行了初步探讨,包括桥梁破坏极限状态的确立及其定量描述、约束钢筋混凝土截面弯矩曲率全过程曲线、位移延性系数与曲率延性系数的关系和评价反应谱等。

潘龙等[19]在Gbobarab[20]提出的利用两次推倒分析结果来计算多层建筑结构的损伤指数的基础上,针对普通规则的桥梁结构,提出了推倒损伤模型的改进计算方法。对结构在遭受地震前后分别进行两次推倒分析,由力-位移关系图得出地震前后的初始刚度,由此得出结构的损伤指数。能够可靠地求出各构件或整个结构的损伤值,避免了非线性动力分析的繁琐,用简便的手段描述结构非线性特性,评价结构遭受不同地震烈度时的损伤程度。

Push2over方法系建立在非线性静力分析基础之上,通过结构的非线性变形能力,评价它的抗震性能,并且可以给出结构的破损倒塌机制,从而发现结构的抗震薄弱环节,与通常的非线性动力分析相比,具有计算简单、结果明确的优点,可方便地用于评估钢筋混凝土桥墩的延性抗震能力和伸缩缝处的可能最大地震相对位移。

2.4基于人工神经元网络的桥梁易损性分析方法

人工神经网络,即并行分布处理,是最近发展起来的一种信息处理技术,它是基于计算机对生物神经系统的模拟。神经计算通过涉及大量被模拟的神经或处理单元的相互作用来加工信息。人工神经网络模型可视为一种非线性映射的数学模型或分类器,它可通过对已知样本的学习,在模型的输入和输出之间建立起一种对应关系,利用这种映射关系可对未知样本进行估计或分类。

赵成刚等[21]用基于人工神经元网络的桥梁易损性分析方法与用统计回归建立的桥梁易损性分析方法进行了对比分析,基于人工神经元网络的桥梁易损性分析结果更符合实际震害情况。

刘兴业等[22]采用人工神经元网络理论,对城市公路网络中的单元路段和桥梁的易损性分析进行了探讨。给出系统中单元破坏的概念,即以中等破坏作为界限破坏状态,这在保证使用功能并完善理论系统方面是非常必要的;采用高阶输入的方法提高运算速度,克服了隐藏层确定的困难;以单层网络代替多层网络,使001 世　界　地　震　工　程 22卷

得构造网络结构比较简单。并指出在实际的运算中,无论是权值的确定、输人值和输出值的确定都有经验性的问题,如果取值不合适,将导致不收敛的结果。

韩大建等[23]利用广东省内1018座桥梁的养护数据,对神经网络进行训练和测试,发现使用神经网络对

桥梁进行评估,能够取得比较好的评估效果。使用神经网络方法对桥梁“等级”进行评估,其准确率超过60%,平均每座桥的评估误差为0.25个等级。

人工神经元网络方法适合于那些具有样本知识,但又难以用数学模型表达的一类问题的求解。神经网络方法由于其无参数、非函数及强适应性,从而根本上区别于如回归分析等其它方法。因此,用人工神经元网络方法处理桥梁易损性分析问题是一条新的有效途径。基于神经网络和GI S 数据库的桥梁易损性分析方法可以在一定程度上减小统计分析方法产生的误差,而且便于开发软件,预计会得到充分的发展。

2.5基于模糊数学和灰色系统理论的分析方法

文献[24]从统计国内外桥梁震害出发,利用概率方法和模糊数学方法对受害桥梁进行易损性分析,给出

综合考虑不同的烈度区,不同的场地条件、不同的桥梁类型、不同的结构尺寸、不同的建造年代、不同的施工质量、工况环境和维护保养状况,以及是否设防等随机的或模糊的影响因素所造成桥梁破坏的概率矩阵、隶属度矩阵和易损性指数矩阵,然后再确定各影响因素在桥梁震害中所起作用的大小,通过数学形式-权来表示,以此作为评价或预测桥梁震害的依据,对已建桥梁进行评价和预测,并给出桥遭受某级烈度地震时破坏概率和易损性指数的大小,从而确定其震害等级,决定加固、改建与否。这种方法的一个优点是,考虑了震害预测的时间效应,便于与场地地震危险性分析结果相结台,发展具有动态效应的桥梁易损性分析方法,以提供随时间变化的易损性分析结果,最终研究和发展具有人工智能的专家系统。

陈一平等[25]采用模糊推理的方法,在量化震害因子的基础上得到平均震害指数,通过计算得出对应破

坏等级的破坏概率。黄龙生等[26]以历史地震资料的统计分析为基础,应用模糊数学方法,进行了群体公路

桥梁的易损性分析,还得到了公路桥梁的地震易损性矩阵。

邓民宪等[27]

研究了桥梁群体易损性分析的理论,对工作区内的所有中、小型桥梁按15%～20%进行抽样调查,铁路桥梁按地震烈度,墩台高度、基础类型、地基有无液化、基底土质、跨数和梁长7个影响项目记录;公路桥梁按地震烈度、场地土类型、地基失效程度、上部结构、支座型式、墩台高度、墩台材料、基础型式、桥梁长度9个影响项目记录。采用模糊综合评判法建立中、小型桥梁群体易损性分析的数学模型,并通过经验法在桥梁单体易损性计算的基础上,根据灰色系统理论和概率论分析方法,给出了公路桥梁的因素集、评价集和权分配集,使单体桥梁易损性分析时的6或8项影响因素缩减为3项影响因素。并通过多年来对桥梁单体易损性分析的结果、给出模型中公路桥梁的具体参数,可直接计算出区域中每座桥梁在不同地震烈度作用下震害的模糊随机可靠度,给出公路桥梁在不同地震烈度影响下的单因素评价矩阵,大大减少了调查收集资料的劳动强度和计算工作量,使区域性桥梁的易损性分析成为可能。

程海根等[28]利用模糊数学对影响桥梁震害的地震烈度、场地条件、墩高、自振频率、支座等诸多因素进

行综合考虑,建立相应的模糊矩阵,对桥梁进行易损性分析。宋龙伯[23]曾经提出用灰色系统理论进行易损

性分析,考虑了桥梁宽度、场地土类型和建造年代三个因素。赵艳林等[29]提出了拱桥易损性分析的灰色聚

类方法。选取地震烈度、地基条件、拱桥孔数及跨径作为拱桥的主要震害因子,然后利用灰色系统理论中的灰色聚类方法进行易损性分析。并指出一般地基条件下,连孔拱桥震害较单孔拱桥严重,且在一定的孔数范围内有孔数越多拱桥震害越重的倾向;在其它条件相同的前提下,拱桥跨径越大,墩高越高,其震害越重。

综合应用灰色系统理论和模糊数学理论可以解决易损性分析时模糊综合评判中因素选择和权重确定的困难,减少人为因素的影响,使结果更具客观性。这种方法适用于区域性群体桥梁易损性分析。但在应用中还存在一些问题,需要进一步的研究。

2.6　其他分析方法

黄龙生等[24]在对大同市、太原市和漳州市的交通系统的震害预测工作中,采用了抗震规范的强度验算

与震害经验相结合和对重点桥梁进行地震时程反应分析的方法。

王菁等[30]在研究一般钢筋混凝土梁式桥易损性分析方法的基础上,提出了重要和典型钢筋混凝土梁式

桥的易损性分析方法,即计算屈服强度系数法。该方法通过对钢筋混凝土桥梁弹塑性位移反应规律的总结和分析,结合这类桥梁的特点,建立相应的屈服强度系数,来估算桥梁的弹塑性位移和梁式桥的震害。克服了以往统计分析方法对重要桥梁抗震能力分析过于粗略的缺点。1012期申选召等:桥梁易损性研究述评

201 世　界　地　震　工　程 22卷

王东升等[11]提出了大跨桥梁定性与定量相结合的易损性分析方法。大跨度桥梁抗震能力的定性评价主要考虑6个因素:地震烈度、场地条件、基础构造、抗震设防、支座构造、结构体系。大跨度桥梁抗震能力的定性评价还可以采用前面提到的经验统计方法,如Buckle方法和日本公路桥梁地震易损性分析方法。大跨度桥梁抗震能力的定量评价主要从3个方面进行:(1)主桥与引桥连接处支承面宽度是否足够,抗震构造措施是否合理;(2)桥台的抗震稳定性;(3)塔根截面的强度和延性抗震性能。

3　结语

本文介绍了各种桥梁易损性分析方法的理论及应用情况。经验统计法提出较早,发展相对完善,应用也较多,适于进行区域性桥梁易损性分析,对单体重要性桥梁抗震性能评估方面显得不足,基于神经网络和GI S数据库的易损性分析方法能一定程度上减小经验统计的误差,便于开发软件,预计会成为今后桥梁易损性分析的发展方向;规范校核法适于圬工砌体类桥梁结构;Pushover分析方法适于评估钢筋混凝土桥墩的延性抗震能力和伸缩缝处的可能最大地震相对位移;利用模糊数学和灰色系统理论的方法适于群体桥梁易损性分析。影响桥梁震害的因素很多,各种因素的取舍对分析的结果和精度有很大的影响,各种方法都有一定的适用性与局限性。

目前的方法给出的破坏概率矩阵仅是代表一种平均震害现象的评估。实际上桥梁震害的影响因素非常复杂。因此,在桥梁易损性分析中应进一步增加桥梁样本数量,特别是近年发生的地震中破坏的桥梁,以反映新规范、新材料在桥梁抗震性能上的影响;对桥梁破坏机理进行深入研究,提高预测精度;同时针对桥梁类型及自身特性的差异,采用不同的分析方法。计算结果最终还需要根据现场的具体情况及震害经验进行修正或进行二次判别。另外,大型桥梁易损性分析的研究较少,随着我国经济持续高速发展,建设了大量斜拉桥、悬索桥等大型桥梁工程,这使得我们必须进一步加强大型桥梁破坏机理和易损性方面的研究。

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012期申选召等:桥梁易损性研究述评