袁万城, 男, 教授,博士生导师.

我国的桥梁设计使用年限为100年，作为重要的交通基础设施，桥梁结构整个寿命周期中将承受永久荷载、可变荷载和偶然荷载的作用。偶然荷载不仅严重威胁人类的生命财产安全，影响正常的经济活动，而且给桥梁结构带来巨大的破坏作用。但传统的桥梁结构设计将各种偶然荷载对桥梁的作用分开考虑，只针对单一荷载独立进行结构验算并调整方案，较少协同考虑不同偶然荷载的综合需求，极少考虑偶然荷载的组合[1]，造成设计结果对某些灾害不够安全，对另一些灾害又不够经济。如何在桥梁结构的全寿命周期中考虑多重灾害的作用，建立合理的多灾害作用下桥梁设计方法，提升防灾减灾的能力，降低灾变破坏的风险，有重要的理论意义和应用价值。

从2001年起，Wen等[2]明确提出了综合考虑多灾害作用进行结构设计，建立了多灾害作用下结构寿命期总成本的数学模型。Adey等[3]考虑了过载和洪水2种灾害作用下混凝土桥梁减灾措施的比选。Ellingwood等[4]考虑了地震和飓风2种灾害作用下建筑结构的加固设计。Ataei等[5]建立了简支梁桥在风暴潮和波浪共同作用下主要失效模式的概率需求和能力模型，发展了基于可靠度和风险的评价方法。Liang等[6-7]基于综合可靠性和部分失效概率对多重抗灾桥梁进行了研究，引入部分失效概率，将多重灾害分解为单一效应，以卡车和地震荷载为例进行了讨论。近年来，多灾害研究中涉及的荷载组合也不断扩展，包括地震和洪水冲刷[8-9]、地震和风荷载[10-11]等。

整体来看，现有研究中一些灾害组合场景下桥梁的分析方法正在快速发展，但涉及的灾害组合场景有限，而且对于如何考虑不同极端荷载的联合作用也未有定论。在众多的偶然荷载中，地震和爆炸对桥梁结构的破坏作用显著。桥梁结构在地震作用下非常脆弱，一旦发生损毁甚至倒塌，会造成巨大的经济损失和人员伤亡。且地震发生时，存在爆炸荷载伴随出现的风险。如桥梁结构上运输火工物品及危险品的车辆因倾倒、侧翻、碰撞、坠落从而诱发爆炸事故，或者随桥铺设的燃气管道因地震的作用发生破裂泄露造成意外爆炸等。这些事故场景的发生均会使桥梁结构处于地震、爆炸双重荷载的作用下，受到超出预先设计值的荷载作用。虽然桥梁的抗震减震工作已相对成熟，设计规范相对完善，减隔震技术也有了长足的发展。但是，基于抗震性能设计的桥梁能否同时抵御地震和爆炸荷载的作用尚待研究。因此，有必要针对地震与爆炸二重极端灾害作用对桥梁结构的影响开展研究。

本文针对某30 m跨径简支梁桥，利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析平台，提出了一种可同时考虑地震和爆炸2种极端荷载联合作用的有限元数值模拟方法。通过在地震荷载持续过程中利用CONWEP经验爆炸模型在不同时刻向结构施加爆炸荷载，实现了在同一位置、特定爆炸当量、不同时刻下综合考虑2种极端荷载的作用。基于此，分别研究了主梁、桥墩不同结构构件在地震、爆炸联合作用下的动力响应和损伤情况，通过分析单独和组合作用所得计算结果的差别，总结了桥梁结构构件在联合荷载作用下的损伤情况和失效类型，为桥梁的多灾害设计与防护提供了一定的参考。

1 有限元模型的建立

以某30 m跨径钢筋混凝土简支梁桥作为研究对象，该桥跨度30 m，由5片箱梁组成，宽度13 m，高度1.22 m，主梁纵向钢筋Φ25，箍筋Φ14。桥墩为2 m×2 m的矩形截面双柱墩，墩高13 m，墩间距离6 m，盖梁为12 m×3 m×2 m的长方体。桥墩主筋16Φ32和箍筋Φ16@50，主梁与桥墩之间设置板式橡胶支座。主梁采用C50混凝土，盖梁和桥墩采用C40混凝土。建模过程中根据截面刚度不变的原则将主梁进行简化得到等效模型截面。其中，主梁、盖梁和桥墩混凝土采用SOLID164实体单元模拟，主筋、箍筋和预应力筋采用BEAM161单元模拟。主梁和桥墩混凝土采用3号材料模拟，盖梁采用1号弹性材料模拟，主筋和箍筋采用3号材料模拟，具体的材料参数见表1。模拟时采用应力强化系数考虑混凝土的应变率效应，通过Cowper-Symonds模型考虑钢筋的应变率效应。钢筋和混凝土单独建模，独立划分网格，通过节点耦合共同发挥作用。桥梁结构模型中板式橡胶支座用接触模拟[12]，桥墩底部0.2 m范围内的节点全部固结，建立的有限元模型见图1。

图1 桥梁结构有限元模型Fig.1 Finite element model of bridge

表1 混凝土及钢筋材料模型参数Table 1 Material model of concrete and reinforcement材料材料模型ρ0/(kg·m-3)E/GPaPRSIGY/MPafsETAN/GPaCP混凝土?MAT_PLASTIC_KINEMATIC2 . 8钢筋?MAT_PLASTIC_KINEMATIC7 ..22.0405注：表中以桥墩模型为例：ρ0为材料密度；E为弹性模量；PR为泊松比；SIGY 为屈服强度；ETAN 为切线模量；fs为有效塑性应变，C、P为 Cowper-Symonds模型的应变率参数。

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