基于全壽命周期的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

吳 軍,潘偉華

（1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司連云港分公司,江蘇 連云港 222000; 2.連云港市鐵路事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 連云港 222000）

0 引言

公路交通對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，順暢的公路橋梁也是震后救災(zāi)的主要通道。相比較于公路，橋梁如因地震出現(xiàn)較大程度損壞，短時(shí)間恢復(fù)通行能力的難度更大，對(duì)于災(zāi)區(qū)救援行動(dòng)影響更深[1]。因此，在橋梁設(shè)計(jì)修建過(guò)程中需要充分考慮橋梁的抗震能力。我國(guó)部分早期的橋梁在實(shí)際過(guò)程中缺乏統(tǒng)一的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，有些橋梁甚至沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，亟須進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震加固處理。宋曰建等以中小跨徑高墩橋梁為例，考慮了橋墩支座橡膠摩擦力影響，通過(guò)建立非線(xiàn)性動(dòng)力方程分析其結(jié)構(gòu)的抗震性能[2]。劉尊穩(wěn)利用有限元計(jì)算和地震模擬方式分析了無(wú)砟軌道橋梁受力約束，并針對(duì)薄弱點(diǎn)進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)[3]。孫武云等通過(guò)建立橋梁構(gòu)件的非線(xiàn)性特征，考慮了高烈度地震波的不確定性，計(jì)算了橋梁結(jié)構(gòu)的損傷概率。根據(jù)損傷概率的高低，設(shè)計(jì)了橋梁抗震結(jié)構(gòu)體系[4]。

上述的橋梁抗震加固工作主要是對(duì)于不同使用周期的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固處理，并未考慮到橋梁整體使用壽命周期中橋梁使用壽命衰減、外界環(huán)境影響等因素的作用。因此，該文將以實(shí)際橋梁項(xiàng)目為研究對(duì)象，進(jìn)行基于全壽命周期的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，實(shí)施地震易發(fā)區(qū)設(shè)施加固工程。從而為相似結(jié)構(gòu)的橋梁工程提供技術(shù)參考，提高設(shè)施的抗震防災(zāi)能力。

1 橋梁項(xiàng)目簡(jiǎn)介

以江蘇省在役的公路橋梁為結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計(jì)的應(yīng)用對(duì)象，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。橋梁項(xiàng)目G的總長(zhǎng)為50 m，跨徑組合為1×40 m，橋梁總寬16.85 m。橋面連續(xù)，橋面采用瀝青混凝土鋪裝。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土實(shí)心板梁，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)擴(kuò)大橋梁基礎(chǔ)。橋墩采用重力式墩，鉆孔灌注樁，擴(kuò)大基礎(chǔ)，支座采用板式橡膠支座。

橋梁G的上部板梁存在4條寬度在0.1~0.12 mm的橫向裂縫，寬度為0.1~0.12 mm的3條縱向裂縫。橋梁G上的裂縫分布無(wú)明顯規(guī)律，橋梁混凝土保護(hù)層較薄。

橋梁項(xiàng)目G位于膠東隆起與蘇北凹陷兩個(gè)不同地質(zhì)構(gòu)造單元的交接位置，整體橋梁處于城市區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性區(qū)。橋梁G的抗震設(shè)防基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。橋梁項(xiàng)目G無(wú)可液化土存在。

2 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期抗震可靠度分析

橋梁在使用的全壽命周期內(nèi)，由于外界環(huán)境侵蝕、風(fēng)等外力作用，會(huì)使得橋梁結(jié)構(gòu)的壽命周期出現(xiàn)衰減，材料和橋體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不斷降低。該研究引入馬爾科夫鏈模型對(duì)橋梁全壽命周期內(nèi)的抗震可靠度進(jìn)行分析。影響橋梁結(jié)構(gòu)抗震可靠度的主要因素有鋼筋構(gòu)件的受侵蝕速度、鋼筋混凝土材料性能退化、自身載荷以及其他不可控因素。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)變量D的數(shù)量，將橋梁全壽命周期內(nèi)的健康狀態(tài)按照時(shí)間換分為若干階段[5]：

式中，τic——橋梁全壽命周期的健康狀態(tài)時(shí)間序列；D0——橋梁構(gòu)建的初始設(shè)計(jì)變量值；Di——橋梁處于對(duì)應(yīng)健康狀態(tài)ic時(shí)，相關(guān)設(shè)計(jì)變量的均值。由馬爾科夫鏈原理，運(yùn)用蒙特卡羅模擬生成橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)轉(zhuǎn)換的概率值矩陣Ps。對(duì)于處于健康狀態(tài)ic階段的橋梁構(gòu)建進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)措施所對(duì)應(yīng)的影響因素為eic。在橋梁構(gòu)建的抗震可靠度值分布區(qū)間中，影響因素eic直接決定抗震效果。橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)影響矩陣可以按照下式計(jì)算：

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)地震強(qiáng)度設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)地震強(qiáng)度的橋梁設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算地震強(qiáng)度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼調(diào)整系數(shù)δ和下降衰減系數(shù)η[6]。

式中，γ——地震強(qiáng)度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜中的地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)。根據(jù)地震強(qiáng)度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜參數(shù)，計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)。

當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，橋梁的支座是第一級(jí)限制橋梁出現(xiàn)橫向移動(dòng)的措施。因此，允許橋梁支座出現(xiàn)一定的變形。在順橋向和橫橋向，橋梁支座的水平位移平方值應(yīng)不大于25倍的橋梁跨度和16倍的橋梁跨度。當(dāng)橋梁受到的地震強(qiáng)度過(guò)大，超出修建前期的預(yù)期時(shí)，橋梁支座的彈塑性變形產(chǎn)生的位移比應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系：

式中，Xmax表示橋梁支座的非線(xiàn)性響應(yīng)最大位移；Xq——支座的屈服位移；[Δ]——對(duì)彈塑性變形位移比取整計(jì)算。

橋梁梁體在支座上的橫向位移值應(yīng)小于支座的最大橫向剪切變形量，則梁體的橫向位移值應(yīng)按照下式計(jì)算：

式中，d——支座的設(shè)計(jì)厚度；α——橋梁支座受力時(shí)與梁體之間的剪切角。橋梁支座的近似等效屈服曲率由支座的截面輪廓尺寸、內(nèi)置鋼筋數(shù)量、鋼筋直徑以及配筋比決定。鋼筋的屈服應(yīng)變?cè)酱?、支座截面垂直高度越小，支座的近似等效屈服曲率越大，能夠承受的破壞外力越大?/p>

2.3 實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

該文通過(guò)分析不同壽命周期內(nèi)橋梁構(gòu)件的抗震可靠度變化，結(jié)合抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)，以橋體結(jié)構(gòu)位移為控制量進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。由支座的近似等效屈服曲率φ，計(jì)算位移延性系數(shù)[7]：

式中，β——對(duì)應(yīng)壽命周期內(nèi)，橋梁梁體的位移延性系數(shù)；lz——支座底塑性鉸區(qū)的長(zhǎng)度；l——支座底部受力長(zhǎng)度。

按照?qǐng)D1所示在梁體與支座之間加入限位裝置，控制橫向和縱向位移。

圖1 限位裝置示意圖

梁體和支座限位裝置在地震力的作用下發(fā)生碰撞，支座高度、擋塊間隔、橋梁跨徑都會(huì)影響碰撞效果，進(jìn)而影響整體橋梁的抗震性能。隨著支座高度的增加，支座的剛度減小，支座底塑性鉸區(qū)的剪力變小，支座變形的力矩增加。受到地震外力作用時(shí)，支座高度越高，橋梁限位裝置的限制量越大，梁體相對(duì)位移越小。加強(qiáng)各個(gè)梁片之間的橫向連接，提升橋梁上部分的穩(wěn)定性和連接性。使用限位裝置限制橋梁支座的豎向位移，并根據(jù)支座走向設(shè)置限制位置間隔，避免對(duì)橋面造成損傷。至此，完成了從橋梁使用的全壽命周期角度對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)研究。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

上文從橋梁項(xiàng)目G使用的全壽命周期出發(fā)，進(jìn)行了橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)對(duì)于橋梁抗震性能的改善情況，將進(jìn)行試驗(yàn)研究。為顯示應(yīng)用上文進(jìn)行的抗震加固設(shè)計(jì)后，橋梁的抗震性能變化，引入基于有限元分析的抗震設(shè)計(jì)方法和基于非線(xiàn)性動(dòng)力方程的抗震設(shè)計(jì)方法。

建立與項(xiàng)目橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致的等比例橋梁模型，在該模型上進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震加固處理。在地震模擬臺(tái)上對(duì)經(jīng)過(guò)不同加固處理后的橋梁等比例模型進(jìn)行地震測(cè)試。對(duì)比不同地震強(qiáng)度下，相同的持續(xù)時(shí)間，順橋向、橫橋向固定墩的縱向鋼筋應(yīng)變比以及橋梁上、下結(jié)構(gòu)的裂縫數(shù)量和裂縫長(zhǎng)度。比較橋梁模型應(yīng)用三種抗震設(shè)計(jì)后，在不同等級(jí)地震下的表現(xiàn)，評(píng)價(jià)抗震設(shè)計(jì)效果。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

橋梁模型在應(yīng)用對(duì)應(yīng)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法后，地震測(cè)試臺(tái)設(shè)定不同的地震參數(shù)。在E1、E2、E3地震等級(jí)下，橋梁的上下部分裂縫數(shù)量和裂縫長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如表1和2所示。

表1 橋梁上下部分裂縫數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，在較低地震強(qiáng)度下，三種抗震設(shè)計(jì)后的橋梁上、下部裂縫數(shù)量相差較少。隨著地震等級(jí)的加大，應(yīng)用對(duì)比方法設(shè)計(jì)的橋梁裂縫數(shù)量出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)。而應(yīng)用該文方法設(shè)計(jì)的橋梁裂縫數(shù)量增加較少。從裂縫數(shù)量上看，應(yīng)用該文方法設(shè)計(jì)的橋梁抗震表現(xiàn)更佳。

對(duì)表2分析可知，使用該文方法設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度較低的情況下，裂縫寬度平均值低于應(yīng)用另外兩個(gè)方法。當(dāng)處于E3地震等級(jí)時(shí)，使用該文方法設(shè)計(jì)的橋梁下部裂縫寬度平均值為0.12 mm。相對(duì)于應(yīng)用有限分析方法的橋梁縮小了36.84%，相對(duì)于使用非線(xiàn)性動(dòng)力方程方法的橋梁縮小了33.33%。該文對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較為重要的下部來(lái)講，應(yīng)用該文方法后裂縫數(shù)量更少，裂縫寬度相對(duì)更小，方法的抗震效果更佳。

表2 橋梁上下部分裂縫平均寬度 /mm

E3地震強(qiáng)度下應(yīng)用三種方法時(shí)，順橋向、橫橋向固定墩的縱向鋼筋應(yīng)變比如圖2所示。

圖2 固定墩的縱向鋼筋應(yīng)變比

分析圖2中的兩組曲線(xiàn)可知，使用該文方法的鋼筋應(yīng)變比在E3地震強(qiáng)度下的鋼筋應(yīng)變比要明顯大于應(yīng)用對(duì)比方法。并且應(yīng)用該文方法后，應(yīng)變值的拐點(diǎn)數(shù)值大于對(duì)比方法，說(shuō)明該文方法應(yīng)用后能夠有效應(yīng)對(duì)較大強(qiáng)度地震波對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)順向和橫向產(chǎn)生的破壞作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)部分地區(qū)位于歐亞地震帶上，大部分地區(qū)處于全球兩大主要地震帶，地震對(duì)于我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)和公共設(shè)施的安全形成了巨大的威脅。對(duì)于大量的橋梁不能單純依靠增加材料強(qiáng)度抵抗地震的影響，因此需要利用橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)件延性提高抗震性能。該文進(jìn)行了基于全壽命周期的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，通過(guò)橋梁模型上的應(yīng)用性試驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)能夠有效提升橋梁抗震能力，具有實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。