地震和重卡车荷载作用下桥梁多灾害设计理论研究

摘要

现在（美国）桥梁的设计(包括LRFD)多是针对单个极端荷载，而极端荷载种类和频率的增加使桥梁在设计期内遭受其他极端荷载情况时，很有可能会对桥梁以及人员造成很大的损失，因此，极为迫切地需要对桥梁进行多灾害研究和设计。本文正是基于LRFD桥梁设计的形式，并作为MH-LRFD研究的一部分，主要研究在地震荷载、重卡车荷载等极端荷载作用下，基于可靠度理论的桥梁多灾害极限状态设计方法。其中，多灾包括自然灾害（如地震、洪水、飓风、海啸等）、人为灾害（如恐怖袭击、火灾等），由地震等引起的次生灾害也包括在其中。
　　 为了达到研究目标，本文收集了高可信度的地震和（重）卡车的荷载以及荷载效应的概率模型，通过具体参数分析确定了本文分析所采用的荷载以及效应概率模型。通过分析认为，一般桥梁体系在地震和重卡车荷载作用下，桥墩是主要的受力构件，并给出桥墩的抗力能力计算公式。
　　 列举了结构可靠度计算的一般方法，分析了本文可靠度理论在可靠度设计中的层次。进一步介绍了桥梁体系可靠度计算的方法，分析了其发展缓慢的原因，为了简化计算，本文假设一般桥梁上部结构先偶联，再与墩柱进行失效模式组合。计算实例显示，桥梁体系的可靠度指标非常接近桥墩的可靠度指标，那么，桥梁体系可靠度指标的计算可大大简化。
　　 综合分析了Ferry Borges-Castanheta模型、Turkstra's模型、Wen模型的优缺点，详细分析了Ferry Borges-Castanheta模型参数的选取，并在Ferry Borges-Castanheta模型、Turkstra's模型以及Ghosn模型的基础上，提出改进模型。新模型是以条件概率的形式分别考虑地震出现时，桥上有车并且与地震组合，地震出现时桥梁没有车而只有地震单独下对桥梁产生影响，并将它们的效应综合起来。其优点不仅可以使分析的问题更加明确，减少样本空间的混淆，从结果上看也比较更合理。
　　 将地震与重卡车组合的不同情况分别考虑，分析各自情况对总的失效概率的贡献，计算各自的分项失效概率值。分项失效概率的概念不仅能够体现荷载作用的强弱，同时计算过程也体现了组合优化的理念。提出计算荷载系数的方法，通过确定各个参数，增加约束条件，使荷载系数最终能够确定。
　　 通过典型桥梁例子的计算，分析了地震参数、地震与重卡车组合参数等对荷载系数的影响，结果显示地震参数更为敏感。分别计算了旧金山地区、西雅图地区、纽约地区的地震和卡车系数，通过比较并考虑地区差异性，最终给出建议的荷载系数。
　　 最后，通过SAP2000有限元pushover分析，分别对典型桥梁在旧金山地区、西雅图地区、纽约地区进行AASHTO LRFD桥梁规范校核，结果表明，本文给出的系数能够满足规范的要求，目前的LRFD对于地震的要求比较保守，系数可以适当减低，但是，要同时考虑卡车的作用，而不是LRFD对卡车那么笼统的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．1．1 美国AASHTO LRFD桥梁规范的发展

1．1．2 MH-LRFD的提出

1．2 目前AASHTO LRFD的荷载组合

1．3 荷载组合方法回顾

1．4 本论文的主要方法以及内容

1．5 本章小结

第二章 荷载和抗力的概率模型

2．1 荷载模型

2．1．1 卡车荷载

2．1．2 地震荷载

2．2 荷载效应模型

2．2．1 恒荷载与卡车荷载效应模型

2．2．2 地震荷载效应模型

2．3 桥梁结构抗力系统

2．4 本章小结

第三章 桥梁结构可靠度指标

3．1 结构可靠度方法

3．1．1 直接积分法

3．1．2 一阶二次矩法(FOSM)

3．1．3 Monte Carlo法

3．1．4 可靠度方法的水准

3．2 桥梁体系可靠度方法

3．2．1 体系可靠度一般方法

3．2．2 一般桥梁体系可靠度指标

3．3 本章小结

第四章 地震与重卡车荷载的组合

4．1 荷载组合模型

4．1．1 合理选取Ferry Borges模型参数

4．1．2 更新方法

4．2 地震与重卡车组合系数确定

4．2．1 分项失效概率

4．2．2 以概率为基础的极限状态设计

4．2．3 荷载和抗力系数

4．2．4 桥梁荷载系数计算

4．3 本章小结

第五章 地震与重卡车联合作用下的实证分析

5．1 典型桥梁的荷载系数

5．2 实例验证

5．2．1 桥梁模型建立

5．2．2 Pushover分析结果及规范验证

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

作者简介

攻读博士期间主要参与的课题

攻读博士期间发表的论文