多跨连续梁拱组合体系桥高墩地震易损性分析_赵堃.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.2Feb 2023收稿日期:20200301作者简介:赵堃(1974)，男，江苏泰州人，高级工程师.(411129224 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.02.013多跨连续梁拱组合体系桥高墩地震易损性分析赵堃1，付旺旺2，3，史国良4，刘冠华5(1 西安市政设计研究院有限公司，陕西西安710068;2 天水师范学院，甘肃天水741001;3 长安大学公路学院，陕西西安710064;4.青海省交通运输厅，青海西宁810008;5 中建三局城市投资运营有限公司，湖北武汉430223)摘要:为了分析梁拱组合体系桥梁高墩在地震作用下的易损性，以某连续梁拱组合体系桥为工程实例，基于 SAP2000有限元软件建立了模型，进行了初步受力分析，确定了受力最不利的固定墩研究对象，并采用增量动力分析法(IDA)分析了研究对象在纵向和竖向地震作用下的结构响应，采用线性回归分析方法得到了地震动参数与损伤指标之间的方程关系，以控制截面的特征曲率和位移延性比的临界值作为损伤指标，绘制出了固定墩的易损性曲线。结果表明:位移散点均匀分布在拟合方程的直线两侧，拟合效果良好;当地震动加速度较小时，桥墩发生轻微和中等损伤的概率随着谱加速度的增大而迅速增大，而发生严重损伤和完全破坏的超越概率增长缓慢，当地震动加速度较大时，发生轻微和中等损伤的概率增长缓慢，而严重损伤和完全破坏的概率增长迅速;在同一等级的不同地震波作用下，桥墩发生轻微和中等损伤的概率远大于发生严重破坏和完全破坏的概率，发生完全破坏的概率很小;当谱加速度为该桥所在场地地震动加速度峰值 0.104g 时，该桥固定墩发生轻微损伤的概率不足 25%，发生中等损伤的概率不足 13%，发生严重损伤的概率很小，发生完全损伤的概率为 0，可见该桥抗震性能良好;采用增量动力分析法分析桥梁地震易损性，可得到结构在不同等级地震波作用下发生不同程度损伤的概率。关键词:桥梁工程;地震易损性;增量动力分析法;梁拱组合体系桥梁;易损性曲线中图分类号:U448.38文献标识码:A文章编号:10020268(2023)02010109Analysis on Seismic Vulnerability of High Piers of Multi-span ContinuousBeam-arch Composite System BridgeZHAO Kun1，FU Wang-wang2，3，SHI Guo-liang4，LIU Guan-hua5(1 Xi an Municipal Design esearch Institute Co.，Ltd.，Xi an Shaanxi 710068，China;2 Tianshui Normal University，Tianshui Gansu 741001，China;3 School of Highway，Chang an University，Xi an Shaanxi 710064，China;4 Qinghai Provincial Department of Transport，Xining Qinghai 810008，China;5 Urban Investment Operation Co.，Ltd.，China Construction Third Engineering Bureau，Wuhan Hubei 430223，China)Abstract:In order to analyze the vulnerability of high piers of beam-arch composite system bridge underearthquake，taking a continuous beam-arch composite system bridge for engineering example，a model isestablished by using the finite element software SAP2000 The preliminary force analysis is carried out andthe most unfavorable fixed pier is determined as the research object Its structural response under thelongitudinal and vertical seismic action is analyzed by using the incremental dynamic analysis(IDA)methodThe relationship between seismic parameters and damage indicator is obtained by linear regression analysisTaking the characteristic curvature of the control section and the critical value of the displacement ductilityratio of the pier as the damage indicators，the vulnerability curve of fixed pier is drawn The result shows that公路交通科技第 40 卷(1)The displacement scatter points are evenly distributed on both sides of the straight line of the fittingequation，and the fitting effect is good(2)When the seismic acceleration is small，the probabilities of minorand medium damages increase rapidly with the increase of spectral acceleration，while the exceedingprobabilities of severe damage and complete damage increase slowly When the seismic acceleration is large，the probabilities of slight and medium damages increase slowly，while the probabilities of serious damage andcomplete failure increase rapidly(3)Under the same level of earthquake waves，the probabilities of slightand medium damages are much greater than those of serious and complete damages，and the probability ofcomplete damage is very small(4)When the spectral acceleration is the peak seismic acceleration 0.104gof the site where the bridge is located，the probability of slight damage of the fixed pier of the bridge is lessthan 25%，the probability of medium damage is less than 13%，the probability of serious damage is verysmall，and the probability of complete damage is 0，so it can be seen that the seismic performance of thebridge is good(5)The probabilities of different degrees of damage of the structure under the action ofdifferent levels of seismic waves can be obtained by using the IDA method to analyze the seismic vulnerabilityof bridgesKey words:bridge engineering;seismic fragility;incremental dynamic analysis method;beam-archcomposite system bridge;fragility curve0引言在地震作用下，作为交通线咽喉的桥梁结构如果出现破坏或者倒塌现象，将会使通往地震区域的交通线陷入瘫痪，严重影响抢险救灾和灾后重建工作的开展13。桥梁结构在地震作用下会发生不同程度的损坏，易损性分析即通过模拟桥梁结构在多条不同等级的地震波作用下的结构响应，再对数据进行回归分析，得到桥梁结构可能发生损伤状态的概率。通过易损性分析可为结构在地震作用后的性能评估提供量化的衡量指标，以便更科学地防范地震带来的危害，因此易损性分析已成为当前研究热点之一4。对结构在不同水平地震作用下产生的各类损伤的超越概率，采用某种统计方法进行曲线拟合，所得的光滑曲线即为“易损性曲线”。易损性曲线有 2种:一是经验易损性曲线;二是理论易损性曲线。根据以往地震引起的桥梁损伤报告和具体的动参数，得出的经验易损性曲线是一种可信度较高的易损性曲线，但因不同地震作用对不同场地和不同类型结构带来的危害是不同的，因此经验易损性曲线可推广性较差。Basoz 等5 和 Shinozuka 等6 分别根据1994 年美国加州北岭地震和 1995 年神户地震造成的桥梁损伤资料建立了经验易损性曲线。若桥梁所在区域未发生因地震造成的损伤案例，缺乏相关破坏数据，则采用理论分析法绘制易损性曲线是十分必要的，此时桥梁结构易损性分析一般从地震的相应分析数据着手，可采用反应谱、时程分析等方法对地震易损性进行分析和评估。Choi 等7 通过易损性分析，研究了不同结构体系桥梁在地震作用下发生各类损伤状态的概率，发现在同一等级的地震作用下，结构损伤程度按由高到低的顺序为简支梁、连续钢箱梁桥、连续混凝土梁桥。Shinozuka 等8 对采用钢套箍加固柱的 2 座代表性桥梁进行了易损性分析，并比较了桥梁加固前后的易损性曲线。Karim等9 以某高速公路桥梁为例，建立了理论易损性曲线和经验易损性曲线，并将两者进行了对比。在国内，目前有关大跨径斜拉桥和悬索桥的易损性研究较多，有关中承式钢管混凝土拱桥的易损性也有部分学者进行了深入分析。地震易损性曲线一般多采用增量动力分析法获得，用以分析结构受力不利位置的易损性1015。对于高墩桥梁，由于墩身的质量和柔度较大，桥墩成为最易损构件。单德山等16 分析了地震动入射角对空心薄壁高墩桥梁地震易损性的影响，结果表明采用三维地震易损性分析方法能准确定位最不利地震动入射角，实现高墩大跨桥梁结构抗震性能的准确评估。通过对近场地震作用下钢筋混凝土高墩的地震易损性分析，赵金钢等17 发现仅考虑地震动随机性会低估近场地震作用下钢筋混凝土高墩塑性铰的分布区域和长度。对于深水高墩大跨桥梁地震易损性，吴文朋等18 发现墩底截面的失