中国大陆地震和重卡车作用下桥梁的多灾害设计理论研究

Current Load Resistance Factor Design (LRFD) specifications usually treat extreme hazard alone and have no probabilistic basis in extreme load combinations, while few studies have been made in China. Bridges were seriously damaged in Wenchuan Ms8.0 earthquake in 2008; in another hand, many bridges were destroyed due to heavy truck issues in these years, which draw many concerns. Based on earthquake history data and real-time monitor data of bridge, multi-hazards design theory of domestic bridges subjected to earthquake and heavy truck load is studied in this project. The bridge displacement and ratio under heavy truck load is recorded in real-time monitor system of bridge. Then the probability curves of heavy truck load and earthquake load are calculated based on the data. Using random process theory and rational combination model, the earthquake and heavy truck effects can be combined in rational fashion. Ductility theory frame of multi-hazards bridge design can be presented as a function of displacement and ratio. The design factors can be determined with the tie of failure probability and failure mode of bridge. With the results of this study, the theory frame of multi-hazards bridge design of earthquake and heavy truck load in China can be produced, which can help bridge design move forward.

目前美国的荷载与系数抗力法（LRFD）桥梁规范对于极端荷载单独考虑，而且没有在概率的基础上考虑它们的组合，国内研究相对较少。2008年我国发生的8.0级汶川大地震，桥梁结构破坏严重；近些年来我国桥梁因重卡车因素破坏更是引起人们的高度关注。本项目拟通过国内地震资料和大桥实时监测资料为基础，研究国内桥梁在地震和重卡车共同作用下的多灾害设计理论。采用桥梁实时监控，获得重卡车作用下的挠度曲线和倾角曲线；辅以地震资料，分别推导出重卡车和地震的概率曲线。以随机过程理论为基础，选取合理的组合模型，将地震与重卡车作用合理的耦合起来。以位移、倾角等变量为设计参量，提出桥梁多灾害延性设计理论框架。以失效概率为纽带，结合桥梁的多种失效模式，提出基于概率的变量系数确定方法。通过本项目的研究，形成我国桥梁结构在地震和重卡车作用下的多灾害设计理论框架，有助于推动我国桥梁设计向前发展。

与美国的LRFD桥梁规范一样，目前中国的桥梁设计规范主要是基于重力荷载和卡车等活荷载建立起来的。但是，这些设计规范并没有以概率为基础考虑地震等极端作用，而是建立在试验等方法理论基础上单独考虑它们。在中国70%地区都是地震区的前提下，地震作用和卡车荷载是桥梁设计的主要荷载。本研究基于桥梁健康监测系统收集到的卡车数据，分析了卡车的多峰分布特点，拟合了基本卡车概率模型，并根据可靠度理论，确定了基本时间间隔t内的卡车基本分布。. 考虑到传统Ferry Borges-Castanheta模型和Turkstra’s模型各自的长处，项目中建立了一个改进方法将地震作用和重卡车荷载在概率基础上统一起来，并且用数值算例进行了例证。结果表明，改进荷载组合模型的可行性和合理性。中国东南沿海地区，卡车作用和地震作用都不占主导作用，而且它们的组合作用，低烈度区由卡车荷载主导，高烈度区由地震作用主导。. 针对多种极端荷载下荷载系数设计存在的问题，将多种极端荷载视为随机过程，以失效概率为纽带，提出荷载系数设计的分项失效概率概念。基于LRFD 极限状态方程的形式，提出解决多种极端荷载作用下的MH-LRFD 荷载系数计算方法，并给出当仅有两种极端荷载下，桥梁结构多灾害设计荷载系数的一般计算步骤。并用一个典型桥梁实例对求解的荷载系数进行检验。通过有限元软件对采用新的荷载系数的桥墩截面配筋进行重新设计，然后，对新桥进行地震作用下的pushover分析，并与现行LRFD规范的规定值进行对比，结果表明，新的荷载系数能够保证桥梁结构的安全，可以按其设计。. 多灾害桥梁理论的建立为桥梁在多种灾害作用下的设计提供了一个可行的基本理论框架，对设计具有重要的指导作用，为桥梁单一灾害设计理论向多灾设计理论过渡提供一定的技术支持和理论准备。