基于全壽命周期的橋梁結構抗震設計

吳 軍,潘偉華

（1.華設設計集團股份有限公司連云港分公司,江蘇 連云港 222000; 2.連云港市鐵路事業發展中心,江蘇 連云港 222000）

0 引言

公路交通對于國民經濟發展至關重要，順暢的公路橋梁也是震后救災的主要通道。相比較于公路，橋梁如因地震出現較大程度損壞，短時間恢復通行能力的難度更大，對于災區救援行動影響更深[1]。因此，在橋梁設計修建過程中需要充分考慮橋梁的抗震能力。我國部分早期的橋梁在實際過程中缺乏統一的抗震設計標準，有些橋梁甚至沒有進行抗震設計，亟須進行結構抗震加固處理。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，通過建立非線性動力方程分析其結構的抗震性能[2]。劉尊穩利用有限元計算和地震模擬方式分析了無砟軌道橋梁受力約束，并針對薄弱點進行了抗震設計[3]。孫武云等通過建立橋梁構件的非線性特征，考慮了高烈度地震波的不確定性，計算了橋梁結構的損傷概率。根據損傷概率的高低，設計了橋梁抗震結構體系[4]。

上述的橋梁抗震加固工作主要是對于不同使用周期的橋梁結構進行抗震加固處理，并未考慮到橋梁整體使用壽命周期中橋梁使用壽命衰減、外界環境影響等因素的作用。因此，該文將以實際橋梁項目為研究對象，進行基于全壽命周期的橋梁結構抗震設計，實施地震易發區設施加固工程。從而為相似結構的橋梁工程提供技術參考，提高設施的抗震防災能力。

1 橋梁項目簡介

以江蘇省在役的公路橋梁為結構抗震加固設計的應用對象，結合橋梁結構參數進行抗震設計。橋梁項目G的總長為50 m，跨徑組合為1×40 m，橋梁總寬16.85 m。橋面連續，橋面采用瀝青混凝土鋪裝。橋梁上部結構采用鋼筋混凝土實心板梁，下部結構橋臺采用重力式橋臺擴大橋梁基礎。橋墩采用重力式墩，鉆孔灌注樁，擴大基礎，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上的裂縫分布無明顯規律，橋梁混凝土保護層較薄。

橋梁項目G位于膠東隆起與蘇北凹陷兩個不同地質構造單元的交接位置，整體橋梁處于城市區域構造穩定性區。橋梁G的抗震設防基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.2 g，反應譜特征周期為0.45 s。橋梁項目G無可液化土存在。

2 橋梁結構抗震設計

2.1 橋梁結構全壽命周期抗震可靠度分析

橋梁在使用的全壽命周期內，由于外界環境侵蝕、風等外力作用，會使得橋梁結構的壽命周期出現衰減，材料和橋體結構強度不斷降低。該研究引入馬爾科夫鏈模型對橋梁全壽命周期內的抗震可靠度進行分析。影響橋梁結構抗震可靠度的主要因素有鋼筋構件的受侵蝕速度、鋼筋混凝土材料性能退化、自身載荷以及其他不可控因素。根據橋梁結構抗震設計的相關變量D的數量，將橋梁全壽命周期內的健康狀態按照時間換分為若干階段[5]：

式中，τic——橋梁全壽命周期的健康狀態時間序列；D0——橋梁構建的初始設計變量值；Di——橋梁處于對應健康狀態ic時，相關設計變量的均值。由馬爾科夫鏈原理，運用蒙特卡羅模擬生成橋梁結構健康狀態轉換的概率值矩陣Ps。對于處于健康狀態ic階段的橋梁構建進行抗震設計時，設計措施所對應的影響因素為eic。在橋梁構建的抗震可靠度值分布區間中，影響因素eic直接決定抗震效果。橋梁結構抗震設計影響矩陣可以按照下式計算：

2.2 橋梁結構抗震設計指標計算

根據地震強度設計對應地震強度的橋梁設計反應譜，按照現行標準，計算地震強度對橋梁結構的阻尼調整系數δ和下降衰減系數η[6]。

式中，γ——地震強度設計反應譜中的地震動峰值加速度系數。根據地震強度設計反應譜參數，計算橋梁結構的抗震設計指標。

當發生地震時，橋梁的支座是第一級限制橋梁出現橫向移動的措施。因此，允許橋梁支座出現一定的變形。在順橋向和橫橋向，橋梁支座的水平位移平方值應不大于25倍的橋梁跨度和16倍的橋梁跨度。當橋梁受到的地震強度過大，超出修建前期的預期時，橋梁支座的彈塑性變形產生的位移比應滿足如下關系：

式中，Xmax表示橋梁支座的非線性響應最大位移；Xq——支座的屈服位移；[Δ]——對彈塑性變形位移比取整計算。

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

式中，d——支座的設計厚度；α——橋梁支座受力時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、內置鋼筋數量、鋼筋直徑以及配筋比決定。鋼筋的屈服應變越大、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。

2.3 實現橋梁結構抗震設計

該文通過分析不同壽命周期內橋梁構件的抗震可靠度變化，結合抗震設計指標，以橋體結構位移為控制量進行抗震設計。由支座的近似等效屈服曲率φ，計算位移延性系數[7]：

式中，β——對應壽命周期內，橋梁梁體的位移延性系數；lz——支座底塑性鉸區的長度；l——支座底部受力長度。

按照圖1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生碰撞，支座高度、擋塊間隔、橋梁跨徑都會影響碰撞效果，進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，支座底塑性鉸區的剪力變小，支座變形的力矩增加。受到地震外力作用時，支座高度越高，橋梁限位裝置的限制量越大，梁體相對位移越小。加強各個梁片之間的橫向連接，提升橋梁上部分的穩定性和連接性。使用限位裝置限制橋梁支座的豎向位移，并根據支座走向設置限制位置間隔，避免對橋面造成損傷。至此，完成了從橋梁使用的全壽命周期角度對其結構進行抗震加固設計研究。

3 試驗研究

3.1 試驗內容

上文從橋梁項目G使用的全壽命周期出發，進行了橋梁結構抗震設計。為驗證該設計對于橋梁抗震性能的改善情況，將進行試驗研究。為顯示應用上文進行的抗震加固設計后，橋梁的抗震性能變化，引入基于有限元分析的抗震設計方法和基于非線性動力方程的抗震設計方法。

建立與項目橋梁結構參數完全一致的等比例橋梁模型，在該模型上進行橋梁結構抗震加固處理。在地震模擬臺上對經過不同加固處理后的橋梁等比例模型進行地震測試。對比不同地震強度下，相同的持續時間，順橋向、橫橋向固定墩的縱向鋼筋應變比以及橋梁上、下結構的裂縫數量和裂縫長度。比較橋梁模型應用三種抗震設計后，在不同等級地震下的表現，評價抗震設計效果。

3.2 試驗結果

橋梁模型在應用對應抗震結構設計方法后，地震測試臺設定不同的地震參數。在E1、E2、E3地震等級下，橋梁的上下部分裂縫數量和裂縫長度統計結果分別如表1和2所示。

表1 橋梁上下部分裂縫數量統計結果

分析表1中的數據可知，在較低地震強度下，三種抗震設計后的橋梁上、下部裂縫數量相差較少。隨著地震等級的加大，應用對比方法設計的橋梁裂縫數量出現大幅度增長。而應用該文方法設計的橋梁裂縫數量增加較少。從裂縫數量上看，應用該文方法設計的橋梁抗震表現更佳。

對表2分析可知，使用該文方法設計的橋梁結構在強度較低的情況下，裂縫寬度平均值低于應用另外兩個方法。當處于E3地震等級時，使用該文方法設計的橋梁下部裂縫寬度平均值為0.12 mm。相對于應用有限分析方法的橋梁縮小了36.84%，相對于使用非線性動力方程方法的橋梁縮小了33.33%。該文對于橋梁結構穩定性較為重要的下部來講，應用該文方法后裂縫數量更少，裂縫寬度相對更小，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地震強度下應用三種方法時，順橋向、橫橋向固定墩的縱向鋼筋應變比如圖2所示。

圖2 固定墩的縱向鋼筋應變比

分析圖2中的兩組曲線可知，使用該文方法的鋼筋應變比在E3地震強度下的鋼筋應變比要明顯大于應用對比方法。并且應用該文方法后，應變值的拐點數值大于對比方法，說明該文方法應用后能夠有效應對較大強度地震波對于橋梁結構順向和橫向產生的破壞作用。

4 結束語

我國部分地區位于歐亞地震帶上，大部分地區處于全球兩大主要地震帶，地震對于我國基礎建設和公共設施的安全形成了巨大的威脅。對于大量的橋梁不能單純依靠增加材料強度抵抗地震的影響，因此需要利用橋梁結構和構件延性提高抗震性能。該文進行了基于全壽命周期的橋梁結構抗震設計，通過橋梁模型上的應用性試驗，驗證了該設計能夠有效提升橋梁抗震能力，具有實際應用參考價值。