考虑寿命期内材料劣变与损伤积累的桥梁抗震可靠度分析

Nowadays, structural capacities of many bridges in China degrade due to material deterioration and other reasons. It increases the possibility of fracture or even collapse of these bridges under action of earthquake, especially a sequence of main-shock and after-shock excitations, which always lead to an accumulation of damage in structure. However, our current literatures and design codes have not supplied a reliable method to carry out seismic analysis and assessment of the bridge considering the damage accumulation and the material deterioration. Earlier researches on seismic reliability for bridges mainly focus on the reliability of components but little on that of a total system due to low efficiency and less accuracy in searching for the failure modes of a whole bridge. Therefore, this project focuses on developing a seismic reliability methods and propose a reliability assessment procedure for typical highway bridge systems considering structural material deterioration and damage accumulation. The works mainly include: 1) developing a structural capacity and demand model considering damage accumulation and material deterioration; 2) carrying out multi-excitation shake table experiments to validate the finite element methods and analytical methods using incremental inputs of conditional real groundmotions; 3) proposing a reliability assessment procedure: searching for the failure modes through the vulnerability analysis and computing the reliability using ANN-MC method; 4) creating the seismic reliability analysis method for bridges. These achievements will provide theoretical basis and analysis support for the life-cycle design, the operation and management, especially the seismic hazard assessment of the existing bridges.

目前我国多数桥梁因材料劣变而存在结构能力退化等问题，且主震-余震序列波会使桥梁损伤积累而更容易破坏。对于材料劣变与损伤积累的桥梁，目前的研究成果和规范尚不能给出合理的地震分析与安全评估方法。而对桥梁抗震可靠度的研究仅局限在构件层次，对体系可靠度的研究不足，有关体系失效模式探索的方法一直存在搜索效率低、结论不够准确等问题。为此，本课题针对典型的公路桥梁，通过在结构的能力与需求模型中体现材料劣变与损伤积累的影响，进而进行桥梁结构抗震可靠度分析。主要内容包括：（1）建立材料劣变与损伤积累影响的能力与需求模型；（2）采用有条件模拟地震波输入，进行逐级增量加载振动台组试验，验证有限元模型与理论分析方法的有效性；（3）通过易损性分析方法得到体系失效模式，采用ANN-MC方法进行可靠度分析；（4）构建桥梁结构抗震可靠度分析方法。研究成果可为桥梁的全寿命设计、既有桥梁的运营以及地震风险评估等提供理论。

传统桥梁抗震设计方法往往只注重桥梁初期的抗震能力，基本未考虑损伤积累与材料劣变而导致的桥梁在寿命期内抗震能力的不足，同时如何评估主震引发损伤的桥梁由于边界条件的改变，在余震作用下体系的整体受力性能，是近年来桥梁工程抗震领域的研究和应用热点。本项目着力于考虑寿命期内材料劣变与损伤积累的桥梁抗震可靠度分析的关键问题进行了深入的研究。完成的主要研究工作和成果包括：（1）建立了一套基于概率和非线性有限元的桥梁结构地震性能演变分析方法，分析了材料劣变过程；且结合人工神经网络（ANN）与蒙特卡罗方法（MC），建立了结构随机能力模型，研究了寿命期内材料劣变下的桥梁结构易损性的变化规律。（2）建立了连续梁桥在主震-余震序列波下的地震易损性分析框架，提出了能够体现损伤累积的连续梁桥非线性有限元分析模型的建立方法；探讨了能够更好地评估余震影响的损伤指标，并提出了新的损伤指标的计算方法；分析了连续梁桥在主震-余震序列波下的抗震性能，并研究了余震对于连续梁桥地震易损性的影响。（3）建立了基于易损性分析的体系可靠度分析方法，根据桥梁结构的地震需求与能力的概率统计特征，通过易损性分析所得到的结构的易损部位的分布规律，研究了体系的最主要的失效模式。（4）设计并开展了大比例尺的多台阵振动台试验，选取多条典型的主震-余震序列波真实输入，模拟产生空间变异的多点地震加速度时程样本，每一条波采用增量动力分析方法逐步放大地震波输入；建立考虑材料非线性、几何非线性以及损伤积累的试验模型的非线性有限元模型，对结构在主震-余震效应下的响应特点与理论分析方法进行了验证。本项目发展了能够考虑损伤积累的非线性有限元分析方法，揭示了考虑主震-余震效应下的桥梁结构特有的动力响应和可能的破坏模式和机理。建立了考虑材料劣变与损伤积累桥梁结构在地震作用下的可靠度分析方法以及评估程序，研究成果为我国桥梁寿命期内抗震可靠度评价提供了重要的支撑。