冲刷裸露桥梁钢桩基的地震风险概率评估与加固方法研究

Due to the hazard from scour to the pile foundations for bridges across rivers and seas in seismic zones, the research aims to investigate the methods for seismic risk probability assessment and retrofit of scoured steel pile foundations for bridges with various potential failure modes via theoretical analysis, numerical calculation and model tests. The following study works are to be achieved: 1) to propose seismic risk probability assessment models for scoured steel pile foundations for bridges based on analytical functions of seismic fragility, and to pursue the trends of the seismic risk probability and potential failure modes of scoured steel pile foundations varied with scour depths and flood intensities experiencing; 2) to study the structural failure mechanisms of scoured steel pile foundations under seismic attacks，and to propose analytical models for seismic design and retrofit of steel pile-to-cap connections and steel pile caps as well as their seismic configurations; 3) to develop a method for evaluating and optimizing the schemes for scoured steel pile foundations retrofitted by adding piles due to global instability based on the seismic risk probability-to-expected cost criterion, and to clarify the synergistic working principles of added and existing piles subjected to complicated loadings. The achievements of the research will facilitate the seismic risk probability assessment and the seismic retrofit prioritization of steel pile foundations for bridges under scour conditions and meanwhile provide some experimental and theoretical supports to their seismic design and retrofit.

针对地震区越江跨海桥梁存在的桩基础冲刷裸露问题，本项目拟以冲刷环境下裸露桥梁钢桩基为研究对象，采用理论分析、数值计算和模型试验等多种研究手段，研究冲刷裸露桥梁钢桩基的地震风险概率评估模型及其不同失效模式下的抗震加固方法，拟完成如下研究工作：1）建立冲刷裸露桥梁钢桩基基于地震易损性解析函数的地震风险概率评估模型，探讨钢桩基的地震风险概率和失效模式随冲刷深度和桥梁历经洪水流量的变化规律；2）研究冲刷裸露钢桩基结构失效模式下的地震破坏机理，建议钢桩-承台连接节点和钢桩基承台的抗震设计与加固分析方法及其构造措施；3）探讨基于地震风险概率与损失期望的冲刷裸露钢桩基整体失稳模式下补桩抗震加固方案的评估与优化方法，研究复杂荷载作用下新旧基桩协同工作原理。本项目的研究成果能为冲刷环境下桥梁钢桩基的地震风险概率评估以及加固优先级决策提供参考依据，并为其抗震设计与加固提供试验与理论支持。

近年来由于全球极端天气的日益频繁、河流上游水电站的新建以及河道非法采砂抽砂活动的增加等原因导致桥梁墩台基础冲刷裸露严重。面对地震区越江跨海桥梁日益严重的冲刷问题和潜在的地震风险，本项目围绕冲刷裸露桩基桥梁的地震风险评估、地震损伤破坏机理和抗震加固方法等关键科学问题，完成了如下研究工作：1）研究了考虑地震动不确定性和模型不确定性的冲刷裸露桩基桥梁的地震易损性分析方法，分析了桥梁类型（连续刚构桥和连续梁桥）、基础冲刷深度、桥梁跨度、桩长和柱高等参数对冲刷裸露桥梁纵横向的地震易损性影响规律，利用得到的地震易损性与风险的解析函数评估了不同冲刷深度下桥梁结构的地震安全性，得到了考虑基础冲刷的桥梁抗震设计修正方法。2）通过31个大比例模型试验和大量有限元分析揭示了冲刷裸露桩基-承台-墩柱体系的地震损伤破坏机理，系统研究了基桩类型（H型钢单桩、钢管混凝土（CFT）单桩和CFT双桩）、基桩埋入承台深度、斜桩角度、桩与承台的材料强度、轴压比、双桩的不等高度以及柱脚连接方式等参数对冲刷裸露桩基-承台-墩柱体系中连接节点的抗震性能影响规律，建立了冲刷环境下桩-承台-墩柱体系连接节点的抗震设计方法，得到了冲刷裸露桩基-承台-钢管混凝土（CFT）墩柱的抗竖向冲切性能和抗冲切设计方法。3）研究了冲刷裸露损伤桩基的水下快速加固方法，分析了锈蚀率和锈蚀位置对钢管桩的抗震性能影响，给出了水下FRP卷管或镀锌钢管加固锈蚀柱的抗弯承载力计算方法。该研究能为地震区冲刷裸露桩基桥梁的地震风险评估和抗震加固优先级决策提供理论依据，能指导冲刷环境下桩基桥梁的抗震设计以及冲刷裸露损伤桩基的水下快速加固。发表标注基金号学术论文10篇，其中SCI论文7篇，授权发明专利2项，受理中的发明专利1项，培养博士研究生1人，硕士研究生9人。