地震和重卡車荷載作用下橋梁多災害設計理論研究

孫得璋

(中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080)

現在(美國)橋梁的設計(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計期內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，迫切需要對橋梁進行多災害研究和設計。本文正是基于LRFD橋梁設計的形式，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害極限狀態設計方法。其中，多災害包括自然災害(如地震、洪水、颶風、海嘯等)、人為災害(如恐怖襲擊、火災等)，由地震等引起的次生災害也包括在其中。

為了達到研究目標，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的概率模型，通過具體參數分析確定了本文分析所采用的荷載以及效應概率模型。通過分析認為，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件，并給出橋墩的抗力能力計算公式。

列舉了結構可靠度計算的一般方法，分析了本文可靠度理論在可靠度設計中的層次。進一步介紹了橋梁體系可靠度計算的方法，分析了其發展緩慢的原因，為了簡化計算，本文假設一般橋梁上部結構先偶聯，再與墩柱進行失效模式組合。計算實例顯示，橋梁體系的可靠度指標非常接近橋墩的可靠度指標，因此，橋梁體系可靠度指標的計算可大大簡化。

綜合分析了Ferry Borges-Castanheta模型、Turkstra’s 模型、Wen模型的優缺點，詳細分析了Ferry Borges-Castanheta模型參數的選取，并在Ferry Borges-Castanheta模型、Turkstra’s模型以及Ghosn模型的基礎上，提出改進模型。新模型是以條件概率的形式分別考慮地震出現時，橋上有車并且與地震組合，地震出現時橋上沒有車而只有地震單獨作用下對橋梁產生影響，并將它們的效應綜合起來。其優點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，計算各自的分項失效概率值。分項失效概率的概念不僅能夠體現荷載作用的強弱，同時計算過程也體現了組合優化的理念。提出了計算荷載系數的方法，通過確定各個參數，增加約束條件，使荷載系數最終能夠確定。

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

最后，通過SAP2000有限元pushover分析，分別對典型橋梁在舊金山地區、西雅圖地區、紐約地區進行AASHTO LRFD橋梁規范校核，結果表明，本文給出的系數能夠滿足規范的要求，目前的LRFD對于地震的要求比較保守，系數可以適當減低。但是，要同時考慮卡車的作用，而不是如LRFD對卡車那么籠統的要求。