地震和重卡車荷載作用下橋梁多災(zāi)害設(shè)計(jì)理論研究

孫得璋

(中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

現(xiàn)在(美國)橋梁的設(shè)計(jì)(包括LRFD)多是針對單個極端荷載，而極端荷載種類和頻率的增加使橋梁在設(shè)計(jì)期內(nèi)遭受其他極端荷載情況時，很有可能會對橋梁以及人員造成很大的損失。因此，迫切需要對橋梁進(jìn)行多災(zāi)害研究和設(shè)計(jì)。本文正是基于LRFD橋梁設(shè)計(jì)的形式，并作為MH-LRFD研究的一部分，主要研究在地震作用、重卡車荷載等極端荷載作用下，基于可靠度理論的橋梁多災(zāi)害極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。其中，多災(zāi)害包括自然災(zāi)害(如地震、洪水、颶風(fēng)、海嘯等)、人為災(zāi)害(如恐怖襲擊、火災(zāi)等)，由地震等引起的次生災(zāi)害也包括在其中。

為了達(dá)到研究目標(biāo)，本文收集了高可信度的地震和(重)卡車的荷載以及荷載效應(yīng)的概率模型，通過具體參數(shù)分析確定了本文分析所采用的荷載以及效應(yīng)概率模型。通過分析認(rèn)為，一般橋梁體系在地震和重卡車荷載作用下，橋墩是主要的受力構(gòu)件，并給出橋墩的抗力能力計(jì)算公式。

列舉了結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算的一般方法，分析了本文可靠度理論在可靠度設(shè)計(jì)中的層次。進(jìn)一步介紹了橋梁體系可靠度計(jì)算的方法，分析了其發(fā)展緩慢的原因，為了簡化計(jì)算，本文假設(shè)一般橋梁上部結(jié)構(gòu)先偶聯(lián)，再與墩柱進(jìn)行失效模式組合。計(jì)算實(shí)例顯示，橋梁體系的可靠度指標(biāo)非常接近橋墩的可靠度指標(biāo)，因此，橋梁體系可靠度指標(biāo)的計(jì)算可大大簡化。

綜合分析了Ferry Borges-Castanheta模型、Turkstra’s 模型、Wen模型的優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)分析了Ferry Borges-Castanheta模型參數(shù)的選取，并在Ferry Borges-Castanheta模型、Turkstra’s模型以及Ghosn模型的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)模型。新模型是以條件概率的形式分別考慮地震出現(xiàn)時，橋上有車并且與地震組合，地震出現(xiàn)時橋上沒有車而只有地震單獨(dú)作用下對橋梁產(chǎn)生影響，并將它們的效應(yīng)綜合起來。其優(yōu)點(diǎn)不僅可以使分析的問題更加明確，減少樣本空間的混淆，從結(jié)果上看也比較更合理。

將地震與重卡車組合的不同情況分別考慮，分析各自情況對總的失效概率的貢獻(xiàn)，計(jì)算各自的分項(xiàng)失效概率值。分項(xiàng)失效概率的概念不僅能夠體現(xiàn)荷載作用的強(qiáng)弱，同時計(jì)算過程也體現(xiàn)了組合優(yōu)化的理念。提出了計(jì)算荷載系數(shù)的方法，通過確定各個參數(shù)，增加約束條件，使荷載系數(shù)最終能夠確定。

通過典型橋梁例子的計(jì)算，分析了地震參數(shù)、地震與重卡車組合參數(shù)等對荷載系數(shù)的影響，結(jié)果顯示地震參數(shù)更為敏感。分別計(jì)算了舊金山地區(qū)、西雅圖地區(qū)、紐約地區(qū)的地震和卡車系數(shù)，通過比較并考慮地區(qū)差異性，最終給出建議的荷載系數(shù)。

最后，通過SAP2000有限元pushover分析，分別對典型橋梁在舊金山地區(qū)、西雅圖地區(qū)、紐約地區(qū)進(jìn)行AASHTO LRFD橋梁規(guī)范校核，結(jié)果表明，本文給出的系數(shù)能夠滿足規(guī)范的要求，目前的LRFD對于地震的要求比較保守，系數(shù)可以適當(dāng)減低。但是，要同時考慮卡車的作用，而不是如LRFD對卡車那么籠統(tǒng)的要求。