基于能量等效的双熔断控制桥梁抗震加固系统设计与性能评估

为解决传统桥梁抗震设计中残余变形大、震后恢复能力差的问题，研究人员提出了一种创新的双熔断控制加固系统（CDFS）及能量等效加固设计方法（EESD）。通过优化等效能量设计流程，结合铅芯橡胶支座（LRBs）的双阶段耗能机制，实现了桥梁在多级地震强度下的弹性、可修复和防倒塌三重性能目标。OpenSees非线性时程分析表明，该系统显著提升了既有桥梁的抗震韧性，为交通基础设施的快速灾后功能恢复提供了可靠解决方案。

　　

桥梁作为陆地交通网络的咽喉要道，其抗震性能直接关系到灾后救援和重建效率。然而，全球范围内大量老旧桥梁面临严峻挑战：欧洲约40%–50%的跨欧交通网桥梁服役超50年，美国36%以上桥梁需大修或重建，而中国近年地震暴露了传统抗震设计的致命缺陷——桥梁在强震后往往产生不可逆的残余变形，甚至被迫拆除。这种"一震即废"的现象严重制约了灾后交通生命线的快速恢复。

针对这一痛点，大连理工大学的研究团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表创新成果，提出双熔断控制加固系统（Controlled Dual-Fused Strengthening, CDFS）。该系统通过用两种特制铅芯橡胶支座（Lead Rubber Bearings, LRBs）替换原桥支座，结合改进的能量等效设计方法（Energy Equivalence-Based Strengthening Design, EESD），实现了"小震不坏、中震可修、大震不倒"的三重防护。

研究采用三大关键技术：1）基于能量平衡原理改进EEDP方法，建立非迭代的EESD设计流程；2）在OpenSees平台构建三维有限元模型，考虑LRBs的双阶段屈服特性；3）选用20条符合中国II类场地的地震波，进行SLE（40%/50年）、DBE（10%/50年）、MCE（2%/50年）三级地震动非线性时程分析。

CDFS系统机制
系统通过LRBs的阶段性屈服实现能量分级耗散：SLE时结构保持弹性；DBE时第一级LRB熔断耗能，支座可更换；MCE时第二级LRB启动，确保桥墩等主体结构安全。这种"牺牲支座保主体"的设计理念，犹如为桥梁安装了可更换的"抗震保险丝"。

EESD设计方法
创新性地将等效能量法拓展至加固领域，通过五步设计流程：确定目标位移谱→计算等效单自由度体系→分配双熔断点能量→校核现有结构约束→优化LRB参数。该方法突破传统加固设计依赖试算的局限，实现了一次计算满足三级性能目标。

原型桥验证
以大连某预应力混凝土连续箱梁桥为对象，分析显示传统设计桥在DBE下钢应变比（SSR）超限达1.35，残余位移角达0.48%；而CDFS桥SSR控制在0.8以内，残余位移角降低76%。MCE工况下，CDFS系统将墩底混凝土压应变从0.004降至0.0028，显著延缓了结构损伤。

非线性分析结果
20条地震波统计分析表明，CDFS系统使桥梁在SLE、DBE、MCE下的最大位移响应分别降低42%、39%和31%，且残余位移均小于0.2%。特别值得注意的是，第二级LRB在MCE时有效将滞回环面积提升2.3倍，证实其卓越的耗能能力。

该研究开创性地将双熔断机制引入桥梁加固领域，其EESD方法为既有基础设施抗震改造提供了标准化设计工具。相比传统加固方案，CDFS系统具有三大优势：经济性（仅更换支座）、可逆性（不破坏原结构）和可持续性（支座可循环更换）。这些突破为构建"震后三天恢复通行"的韧性交通网络提供了关键技术支撑，尤其适用于中国量大面广的VII度设防区桥梁改造。研究团队特别指出，下一步将开展LRB耐久性试验和全桥振动台试验，进一步验证系统在长期服役和极端地震下的可靠性。