地震和重卡车荷载环境下桥梁抗灾害设计理论探微

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
Paul F. Csagoly 负责规范的准备和编制，其中包括材料的特性、荷载的特性、典型构件的强度分布和破坏准则等，确定了以概率为基础的极限状态设计方法，并发展了用均值和方差计算桥梁构件可靠度的理论。
1979 年，安大略高速公路桥梁设计规范 (Ontario Highway BridgeDesign Code, 即 OHBDC) 的第一版诞生，是北美第一个以概率为基础的桥梁设计规范。此后，该版本在 1983 年和 1993 年再次更新，最重要的是该系列规范包含了大量的注释。而当时的 AASHTO 桥梁规范虽然经过了更新，但是依然没有改变规范中 ASD 设计法（Allowable Stress Design 即容许应力设计法，认为容易发生的荷载组合产生的应力是不容易发生荷载组合的 1.33 倍 ）和 LFD 设计法（Load Factor Design 即荷载系数设计法，认为汽车荷载比重力荷载的变异性大，这种思想认为汽车荷载和重力荷载应该具有不同的组合系数，最终导致 1.3 倍的重力荷载与 2.17 倍的汽车荷载组合）的基础方法论。随着工程师们对安大略公路桥梁设计规范的熟悉，人们对 AASHTO 桥梁设计方法的质疑也越来越多，期间，国家联合公路研 究 计 划 组 织 （ National Cooperative Highway Research Program –NCHRP）、国家科学基金会（National Science Foundation）等做了大量的研究，加速了旧规范退出历史舞台。
1986 年春，工程师代表组成的小组在丹佛召开会议，并起草了一份给 AASHTO 委员会的关于“AASHTO 桥梁规范过时”的意见书，由此拉开了 LRFD 的序幕。同年 7 月，工程师代表与 NCHRP 的工作人员商议开展具体的项目以便研究“意见书”中提到的问题，包括研究 OHBDC 规范的安全准则，研究欧洲规范、英国规范、日本规范等等。
1987 年 5 月，由 Modjeski 和 Masters 负责的项目组提交了一份意见报告，包括 AASHTO 规范应该修改、新规范应该吸纳最新的研究成果、新规范应该以概率为基础的极限状态设计等内容。1988 年 5 月，首席研究员 Modjeski 和联合首席研究员 Masters、一个规范协调委员会以及 15个研究小组正式被授权编写以概率为基础的极限状态设计法的桥梁规范和注释，即 NCHRP Project 12-33。1991 年 4 月，第一稿完成，但是完全无法校核。这一稿主要是为了展示内容的范围和组织结构。随后提交给各个组织（包括联邦公路局等等）和业内工程师，很快收集到多达 4000 条意见。在同年 4 月末，第二稿完成，这一稿包含了一系列荷载和抗力的系数（随后的版本里变化也相对较小）。这一稿收集了大约 6000 条意见。1992年 4 月，第三稿完成，同样的进程，大致收集到 2000 条意见。1993 年 3月，第四稿提交完成，并经过投票通过，最终确立了以概率为基础的极限状态设计法的桥梁规范。1994 年，第一版 LRFD 桥梁规范正式发布。1997年第一座以 LRFD 设计的大桥-Second Blue Water Bridge-落成通车，（见图1-1）[87][88][89]标志着 LRFD 桥梁规范进入实用阶段。在 1998 年（第二版），2000 年（临时修订版），2004 年（第三版），2007 年，2009 年（以及 2009桥梁抗震规范）, 2010 年 LRFD 桥梁规范再次更新。并且，自此之后，很多关于规范引进 LRFD 的概念，1996 年 LRFD 木结构设计、1999 年 LRFD钢结构设计、2005 年 LRFD 箱梁设计、2008 年 LRFD 移动公路桥梁设计、2010 年抗震设计规范等等。

第二章 荷载和抗力的概率模型

荷载效应和抗力的概率分布是桥梁结构的失效概率问题的基础，本章的主要内容是介绍 LRFD 的荷载/荷载效应概率模型，以及本章和后面几章荷载组合时所选用的荷载、荷载效应和抗力模型。

2.1 荷载模型
LRFD 桥梁规范（2007，2009，2010 版）设计中为了说明荷载的大小通常会用到重现期的概念，比如，75 年最大卡车荷载（美国规范）、100年最大洪水冲刷荷载、500 年地震荷载[64][108][114]等，这些概念的运用，直观上帮助人们了解荷载强度的大小，但并不表示荷载在重现期内一定发生。在进行 MH-LRFD 桥梁设计时，需要荷载分布最大值之间的组合。LRFD 规范在推导公式的过程中，为了方便起见，假设荷载（主要是重力荷载和卡车荷载）符合正态分布，抗力符合对数正态分布；也有（在推导抗力系数时）假设荷载和抗力都是符合对数正态分布的[82][103][125]。下面主要根据 LRFD 以及前人的研究选取合适的荷载模型作为后文荷载组合的基础。

第三章 桥梁结构可靠度指标 .............39
3.1 结构可靠度方法 .........39
3.2 桥梁体系可靠度方法 .............46
3.3 本章小结 ...........50
第四章 地震与重卡车荷载的组合 .......51
4.1 荷载组合模型 ................51
4.2 地震与重卡车组合系数确定...............75
4.3 本章小结 ...............90
第五章 地震与重卡车联合作用下的实证分析..............93
5.1 典型桥梁的荷载系数 .............93
5.2 实例验证 .................10
5.3 本章小结 ...............114

结论

本文主要发展了极端荷载-地震和重卡车荷载共同作用下桥梁荷载组合理论以及MH-LRFD桥梁设计法。MH-LRFD是通过采用LRFD极限状态设计法的形式，将多种极端荷载统一在一起，使之能够用协调的荷载系数达到桥梁设计的要求。地震等多个极端荷载的桥梁设计同以往的荷载设计不同，因为，地震的发生概率相对较小，破坏力往往比较大，而重卡车荷载发生频率很高，但是，破坏力相对比较小，这两种荷载放在一起（由于两者是随机过程），根据地区车流量，它们有可能相遇，也有可能不同时发生。本文在考虑两者的组合的时候，对比了Ferry Borges–Castanheta模型 、 Ghosn 的 修 正 模 型 、 Turkstra’s 模 型 的 利 与 弊 ， 认 为 FerryBorges–Castanheta模型很好地解释了随机过程转化成随机变量以及随机过程之间组合的复杂问题，但是，往往结果偏于保守。结合这几种方法的优缺点本文提出更新模型，将地震与卡车是否相遇分开考虑，并从地震角度考虑它们之间的组合，使问题清晰化。结构的目标可靠度采用构件的可靠度与体系可靠度之间的值。以失效概率理论以及各个荷载对总失效概率的贡献不同作为约束条件，本文给出求荷载系数的方法，并通过典型桥梁计算出旧金山地区、西雅图地区、纽约地区的地震与卡车系数，变化不同参数可以得到一系列地震与卡车系数，通过地震与重卡车均值比值以及地震合理的变异系数约束，可以得到地震与卡车系数。最后，通过有限元pushover计算以及规范校核，验证建议的荷载系数的适用性。
为了达到这个目标，本文首先回顾了LRFD的由来、最初LRFD的荷载组合以及计算方法，继而介绍了MH-LRFD的提出背景和意义。本文内容作为MH-LRFD的一部分，其内容框架既能够满足地震与重卡车的组合需要，也能满足多数其他极端荷载的组合（洪水冲刷除外，由于冲刷改变了抗力性能，需要重新搭建荷载系数求解方法，但是荷载组合部分内容依然适用）。