基于易损性的地震评估与GFRP加固的泰国地震区短跨桥墩

《Results in Engineering》：Fragility-Based Seismic Evaluation and GFRP Retrofitting of Short-Span Bridge Piers in Thailand’s Seismic Zones

　　

泰国短跨钢筋混凝土（RC）桥梁的抗震韧性仍未得到充分解决，尽管有越来越多的证据表明存在能够产生6-7级地震的活动断层。本研究提出了一个集成的实验-数值-概率框架，用于基于易损性的地震评估和玻璃纤维增强聚合物（GFRP）加固，针对泰国公路厅（DOH）库存中代表性的短跨桩排架桥墩。一个代表性的1:2比例桩排架桥墩按照FEMA-461进行了准静态循环侧向荷载试验，并检查了两种GFRP加固方案，用于损伤后加固和预加固条件，结果通过ATENA中的非线性有限元建模进行了校准。实验和数值结果表明，GFRP加固使修复桥墩的峰值侧向荷载能力提高了约22-24%，而在加载前加固的试件达到了高达145 kN的峰值能力和高达6.78的延性。随后，验证的有限元模型被扩展以进行非线性推覆分析，并为24个代表性桥墩配置开发了易损性曲线，跨越三个地震危险区，对应于475年和2500年重现期，通过基于蒙特卡洛的分层抽样方案纳入了材料不确定性。易损性结果表明，高危险区中未加固的桥墩可能表现出高达40%的倒塌概率，而GFRP加固有效地消除了所考虑地震需求下的倒塌。总体而言，所提出的框架证明了本地制造的GFRP作为一种可持续的加固解决方案，在增强泰国桥梁网络抗震韧性方面的技术有效性和实际适用性，为区域风险优先排序和加固决策提供了定量基础。

**论文解读：基于易损性的地震评估与GFRP加固的泰国地震区短跨桥墩**

**研究背景与问题**

泰国短跨钢筋混凝土（RC）桥梁的抗震韧性长期未得到充分关注，尽管近年来地质调查揭示北部地区存在多条活动断层，具备产生6-7级地震的能力。这些桥梁主要建于早期规范（基于AASHTO 1957条款）下，缺乏现代抗震设计中的塑性铰区细部构造，如横向钢筋间距过大、搭接长度不足等。泰国公路厅（DOH）库存中超过80%为短跨桥梁（跨度5-10米），且多数采用桩排架桥墩（pile-bent pier）作为下部结构。然而，传统设计往往忽略地震荷载，导致桥梁在地震作用下易发生脆性剪切破坏。现有研究多集中于孤立柱的加固，缺乏对系统级桥墩（含柱、帽梁、支撑梁及节点）的全面评估。因此，开展本研究旨在填补这一空白，提出一个集成实验、数值模拟与概率分析的框架，以量化GFRP（玻璃纤维增强聚合物）加固对短跨桥墩抗震性能的提升效果，并为区域风险优先排序提供依据。

**研究内容与结论**

研究人员通过实验、有限元建模（FEM）和易损性分析，评估了泰国北部Phrae公路区短跨桥墩的抗震性能及其GFRP加固方案。研究得出以下主要结论：1) GFRP加固显著提高了桥墩的侧向承载力和延性，修复后桥墩的峰值荷载提升22-24%，预加固试件延性可达6.78；2) 未加固桥墩在高危险区（2,500年重现期）的倒塌概率可达40%，而四层GFRP包裹后倒塌风险完全消除；3) 两种加固方案中，方案1（包裹上下柱及支撑梁）更利于延性提升，方案2（额外加固节点）则提供更高初始刚度。论文发表在《Results in Engineering》。

**主要技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：1) 准静态循环侧向荷载试验（遵循FEMA-461），对1:2比例缩尺桩排架桥墩进行加载，获取力-位移滞回响应；2) 基于ATENA程序建立二维非线性有限元模型（2D FEM），采用混凝土损伤塑性模型（CDP）和钢筋多线性本构，模拟未加固与GFRP加固试件的裂缝发展及骨架曲线；3) 基于蒙特卡洛分层抽样，考虑混凝土抗压强度（均值18.5 MPa，标准差5.8 MPa）和钢筋抗拉强度（均值341.7 MPa，标准差45.8 MPa）的不确定性，生成25种材料实现；4) 对24种代表性桥墩配置（基于Phrae公路区现场调查，涵盖4-9柱、有/无支撑、跨度5-10米）进行非线性推覆分析（pushover analysis），得到屈服强度、延性等能力参数；5) 采用Monti和Nisticò方法，基于峰值地面加速度（PGA）开发易损性曲线，定义可修复损伤（α=0.7）和倒塌（α=0.9）两个损伤状态，并考虑三个地震危险区（对应475年和2,500年重现期）的PGA值（来自泰国规范DPT 1302）。

**研究结果**

**1. Experimental Investigation (实验研究)**：通过循环加载试验，未加固试件C1的最大侧向荷载为104.0 kN，延性2.08；修复后采用方案1的C1R_GFRP1荷载提升至129.0 kN（+24.0%），延性升至2.80（+34.6%）。预加固试件C2_GFRP1（方案1）达到136.0 kN荷载和6.78延性，而C4_GFRP2（方案2）为145.0 kN荷载和5.20延性。裂缝模式表明，未加固试件出现早期对角剪切裂缝，GFRP加固后裂缝分布更均匀，失效模式由剪切主导转为弯曲主导。

**2. Finite Element Modeling (有限元建模)**：基于ATENA的2D FEM成功复现了未加固和加固试件的骨架曲线，初始刚度、峰值荷载和整体变形能力与实验吻合良好。数值裂纹模式（图13-14）显示，加固后裂缝集中度降低，分布更均匀。但FEM在预测后弹性阶段时略高估强度，归因于理想化粘结假设和未考虑残余微裂纹。

**3. Seismic Performance Assessment Framework (抗震性能评估框架)**：推覆分析结果（表6）表明，GFRP加固使预期屈服强度E[F_y]提升约5%，预期延性E[μ]提升约98%。易损性曲线（图24-26）显示，未加固的5PT1H桥墩在2,500年地震中，可修复损伤概率为95%，倒塌概率40%；加固后两者均降至0%。无支撑桥墩（如4-5柱）抗震性能优于有支撑桥墩，且跨度越大，倒塌概率越高。所有24种桥墩配置经四层GFRP加固后，在最大地震需求下均未发生倒塌。

**讨论与结论**

研究结论部分（5. Conclusions）总结：1) GFRP加固使修复桥墩峰值荷载提升22-24%，预加固试件延性达6.78；2) 延性提升最高达34.6%，方案1更利于延性，方案2更利于初始刚度；3) 易损性分析表明，未加固桥墩倒塌概率可达40%，加固后完全消除。整体上，实验、数值模拟与易损性分析的集成框架验证了本地制造GFRP作为可持续加固方案的技术有效性，为泰国桥梁网络的地震风险优先排序和加固决策提供了定量依据。研究人员建议，未来应研究不同包裹层数与配置对刚度、延性及长期耐久性的影响。