冲刷和地震双重灾害下桩基桥梁性能评估概率方法研究

The pile group foundation is the most popular foundation type for river-crossing bridges in China. The combined effects of scour and earthquake hazards will significantly increase the damage potential of pile-supported bridges. However, the method for the performance evaluation of bridges under combined effects of scour and earthquake hazards is rarely reported. In this regard, with the consideration of scour, earthquake, soil and structural uncertainties, this project aims to propose a probabilistic method for the performance evaluation of pile-supported bridges under combined effects of scour and earthquake hazards. This project will 1) establish the integral finite element model consisting of post-scour two-dimensional river valley grounds, pile foundations and bridges, to propose a reliable approach for determining the model parameters, and to reveal the parameters having significant influences on the seismic demands as well. 2) Propose the multilevel seismic damage indices for pile-supported bridges and study the corresponding post-earthquake carrying capacities for the bridges. 3) Propose a calculation method for building fragility surfaces for bridges under combined effects of scour and earthquake hazards, and to determine the damage levels for the bridges and their post-earthquake carrying capacities.

群桩基础是我国跨江河桥梁普遍采用的基础形式，冲刷和地震双重灾害的作用会显著增大桩基桥梁的损伤破坏风险。目前，国内外均缺乏对冲刷和地震双重灾害作用下桩基桥梁的性能评估方法研究。本项目将考虑冲刷、地震、以及场地和结构参数的不确定性，开展冲刷和地震双重灾害下的桩基桥梁性能评估概率方法研究。主要研究内容有：1）建立河床冲刷后二维河谷场地-桩基-桥梁一体化非线性有限元模型，研究模型参数的科学取值并确定高敏感性参数；2）考虑结构和场地参数的不确定性，研究桩基桥梁多等级地震损伤指标及对应残余竖向承载力；3）研究冲刷和地震双重灾害下的联合易损性曲面计算方法，以及桥梁损伤等级和震后残余竖向承载力的确定方法。

冲刷是跨江河桥梁常见的自然灾害，而我国又是一个地震多发国家，冲刷和地震双重灾害的作用会显著增大桩基桥梁的损伤破坏风险。目前，国内外均缺乏对冲刷和地震双重灾害作用下桩基桥梁的性能评估方法研究。本项目的目标是考虑冲刷、地震、以及场地和结构参数的不确定性，开展冲刷和地震双重灾害下的桩基桥梁性能评估概率方法研究，同时研究不同损伤状态下桩基桥梁震后残余竖向承载力。围绕这样的研究目标，课题组采用理论分析结合试验研究的方法开展了如下研究：首先，建立了考虑冲刷效应的土-桩基-桥梁一体化非线性地震反应分析模型，并采用已有的振动台试验数据进行模型验证。在此基础上，研究了考虑冲刷效应的二维河谷场地桩基桥梁的地震反应规律。然后，提出了冲刷桥梁群桩基础的多等级地震损伤指标，设计并完成了不同损伤状态下冲刷桥梁桩基础、桥梁桩柱式墩的震后残余竖向承载力试验研究。基于试验结果，揭示冲刷桥梁群桩基础的地震损伤机理及其震后失效模式，并提出了冲刷桥梁群桩基础震后竖向承载力退化曲线。另外，还采用数值方法研究了不同冲刷深度（或墩高）下桥梁桩柱式墩的震后残余竖向承载力。最后，建立了冲刷与地震联合作用下，群桩基础支承桥梁的概率地震需求模型和地震易损性评估方法。本项目的研究成果可为我国桥梁抗震设计规范的改进、以及桥梁震后快速评估和韧性评价提供有力的支持。