基于全寿命周期的桥梁结构抗震设计

吴 军,潘伟华

（1.华设设计集团股份有限公司连云港分公司,江苏 连云港 222000; 2.连云港市铁路事业发展中心,江苏 连云港 222000）

0 引言

公路交通对于国民经济发展至关重要，顺畅的公路桥梁也是震后救灾的主要通道。相比较于公路，桥梁如因地震出现较大程度损坏，短时间恢复通行能力的难度更大，对于灾区救援行动影响更深[1]。因此，在桥梁设计修建过程中需要充分考虑桥梁的抗震能力。我国部分早期的桥梁在实际过程中缺乏统一的抗震设计标准，有些桥梁甚至没有进行抗震设计，亟须进行结构抗震加固处理。宋曰建等以中小跨径高墩桥梁为例，考虑了桥墩支座橡胶摩擦力影响，通过建立非线性动力方程分析其结构的抗震性能[2]。刘尊稳利用有限元计算和地震模拟方式分析了无砟轨道桥梁受力约束，并针对薄弱点进行了抗震设计[3]。孙武云等通过建立桥梁构件的非线性特征，考虑了高烈度地震波的不确定性，计算了桥梁结构的损伤概率。根据损伤概率的高低，设计了桥梁抗震结构体系[4]。

上述的桥梁抗震加固工作主要是对于不同使用周期的桥梁结构进行抗震加固处理，并未考虑到桥梁整体使用寿命周期中桥梁使用寿命衰减、外界环境影响等因素的作用。因此，该文将以实际桥梁项目为研究对象，进行基于全寿命周期的桥梁结构抗震设计，实施地震易发区设施加固工程。从而为相似结构的桥梁工程提供技术参考，提高设施的抗震防灾能力。

1 桥梁项目简介

以江苏省在役的公路桥梁为结构抗震加固设计的应用对象，结合桥梁结构参数进行抗震设计。桥梁项目G的总长为50 m，跨径组合为1×40 m，桥梁总宽16.85 m。桥面连续，桥面采用沥青混凝土铺装。桥梁上部结构采用钢筋混凝土实心板梁，下部结构桥台采用重力式桥台扩大桥梁基础。桥墩采用重力式墩，钻孔灌注桩，扩大基础，支座采用板式橡胶支座。

桥梁G的上部板梁存在4条宽度在0.1~0.12 mm的横向裂缝，宽度为0.1~0.12 mm的3条纵向裂缝。桥梁G上的裂缝分布无明显规律，桥梁混凝土保护层较薄。

桥梁项目G位于胶东隆起与苏北凹陷两个不同地质构造单元的交接位置，整体桥梁处于城市区域构造稳定性区。桥梁G的抗震设防基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.2 g，反应谱特征周期为0.45 s。桥梁项目G无可液化土存在。

2 桥梁结构抗震设计

2.1 桥梁结构全寿命周期抗震可靠度分析

桥梁在使用的全寿命周期内，由于外界环境侵蚀、风等外力作用，会使得桥梁结构的寿命周期出现衰减，材料和桥体结构强度不断降低。该研究引入马尔科夫链模型对桥梁全寿命周期内的抗震可靠度进行分析。影响桥梁结构抗震可靠度的主要因素有钢筋构件的受侵蚀速度、钢筋混凝土材料性能退化、自身载荷以及其他不可控因素。根据桥梁结构抗震设计的相关变量D的数量，将桥梁全寿命周期内的健康状态按照时间换分为若干阶段[5]：

式中，τic——桥梁全寿命周期的健康状态时间序列；D0——桥梁构建的初始设计变量值；Di——桥梁处于对应健康状态ic时，相关设计变量的均值。由马尔科夫链原理，运用蒙特卡罗模拟生成桥梁结构健康状态转换的概率值矩阵Ps。对于处于健康状态ic阶段的桥梁构建进行抗震设计时，设计措施所对应的影响因素为eic。在桥梁构建的抗震可靠度值分布区间中，影响因素eic直接决定抗震效果。桥梁结构抗震设计影响矩阵可以按照下式计算：

2.2 桥梁结构抗震设计指标计算

根据地震强度设计对应地震强度的桥梁设计反应谱，按照现行标准，计算地震强度对桥梁结构的阻尼调整系数δ和下降衰减系数η[6]。

式中，γ——地震强度设计反应谱中的地震动峰值加速度系数。根据地震强度设计反应谱参数，计算桥梁结构的抗震设计指标。

当发生地震时，桥梁的支座是第一级限制桥梁出现横向移动的措施。因此，允许桥梁支座出现一定的变形。在顺桥向和横桥向，桥梁支座的水平位移平方值应不大于25倍的桥梁跨度和16倍的桥梁跨度。当桥梁受到的地震强度过大，超出修建前期的预期时，桥梁支座的弹塑性变形产生的位移比应满足如下关系：

式中，Xmax表示桥梁支座的非线性响应最大位移；Xq——支座的屈服位移；[Δ]——对弹塑性变形位移比取整计算。

桥梁梁体在支座上的横向位移值应小于支座的最大横向剪切变形量，则梁体的横向位移值应按照下式计算：

式中，d——支座的设计厚度；α——桥梁支座受力时与梁体之间的剪切角。桥梁支座的近似等效屈服曲率由支座的截面轮廓尺寸、内置钢筋数量、钢筋直径以及配筋比决定。钢筋的屈服应变越大、支座截面垂直高度越小，支座的近似等效屈服曲率越大，能够承受的破坏外力越大。

2.3 实现桥梁结构抗震设计

该文通过分析不同寿命周期内桥梁构件的抗震可靠度变化，结合抗震设计指标，以桥体结构位移为控制量进行抗震设计。由支座的近似等效屈服曲率φ，计算位移延性系数[7]：

式中，β——对应寿命周期内，桥梁梁体的位移延性系数；lz——支座底塑性铰区的长度；l——支座底部受力长度。

按照图1所示在梁体与支座之间加入限位装置，控制横向和纵向位移。

图1 限位装置示意图

梁体和支座限位装置在地震力的作用下发生碰撞，支座高度、挡块间隔、桥梁跨径都会影响碰撞效果，进而影响整体桥梁的抗震性能。随着支座高度的增加，支座的刚度减小，支座底塑性铰区的剪力变小，支座变形的力矩增加。受到地震外力作用时，支座高度越高，桥梁限位装置的限制量越大，梁体相对位移越小。加强各个梁片之间的横向连接，提升桥梁上部分的稳定性和连接性。使用限位装置限制桥梁支座的竖向位移，并根据支座走向设置限制位置间隔，避免对桥面造成损伤。至此，完成了从桥梁使用的全寿命周期角度对其结构进行抗震加固设计研究。

3 试验研究

3.1 试验内容

上文从桥梁项目G使用的全寿命周期出发，进行了桥梁结构抗震设计。为验证该设计对于桥梁抗震性能的改善情况，将进行试验研究。为显示应用上文进行的抗震加固设计后，桥梁的抗震性能变化，引入基于有限元分析的抗震设计方法和基于非线性动力方程的抗震设计方法。

建立与项目桥梁结构参数完全一致的等比例桥梁模型，在该模型上进行桥梁结构抗震加固处理。在地震模拟台上对经过不同加固处理后的桥梁等比例模型进行地震测试。对比不同地震强度下，相同的持续时间，顺桥向、横桥向固定墩的纵向钢筋应变比以及桥梁上、下结构的裂缝数量和裂缝长度。比较桥梁模型应用三种抗震设计后，在不同等级地震下的表现，评价抗震设计效果。

3.2 试验结果

桥梁模型在应用对应抗震结构设计方法后，地震测试台设定不同的地震参数。在E1、E2、E3地震等级下，桥梁的上下部分裂缝数量和裂缝长度统计结果分别如表1和2所示。

表1 桥梁上下部分裂缝数量统计结果

分析表1中的数据可知，在较低地震强度下，三种抗震设计后的桥梁上、下部裂缝数量相差较少。随着地震等级的加大，应用对比方法设计的桥梁裂缝数量出现大幅度增长。而应用该文方法设计的桥梁裂缝数量增加较少。从裂缝数量上看，应用该文方法设计的桥梁抗震表现更佳。

对表2分析可知，使用该文方法设计的桥梁结构在强度较低的情况下，裂缝宽度平均值低于应用另外两个方法。当处于E3地震等级时，使用该文方法设计的桥梁下部裂缝宽度平均值为0.12 mm。相对于应用有限分析方法的桥梁缩小了36.84%，相对于使用非线性动力方程方法的桥梁缩小了33.33%。该文对于桥梁结构稳定性较为重要的下部来讲，应用该文方法后裂缝数量更少，裂缝宽度相对更小，方法的抗震效果更佳。

表2 桥梁上下部分裂缝平均宽度 /mm

E3地震强度下应用三种方法时，顺桥向、横桥向固定墩的纵向钢筋应变比如图2所示。

图2 固定墩的纵向钢筋应变比

分析图2中的两组曲线可知，使用该文方法的钢筋应变比在E3地震强度下的钢筋应变比要明显大于应用对比方法。并且应用该文方法后，应变值的拐点数值大于对比方法，说明该文方法应用后能够有效应对较大强度地震波对于桥梁结构顺向和横向产生的破坏作用。

4 结束语

我国部分地区位于欧亚地震带上，大部分地区处于全球两大主要地震带，地震对于我国基础建设和公共设施的安全形成了巨大的威胁。对于大量的桥梁不能单纯依靠增加材料强度抵抗地震的影响，因此需要利用桥梁结构和构件延性提高抗震性能。该文进行了基于全寿命周期的桥梁结构抗震设计，通过桥梁模型上的应用性试验，验证了该设计能够有效提升桥梁抗震能力，具有实际应用参考价值。