基于易损性曲线的斜拉桥横向抗震性能评估_徐略勤.pdf

第 42 卷第 3 期重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Vol 42No32023 年 3 月JOUNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVESITY(NATUAL SCIENCE)Mar 2023DOI:103969/jissn1674-069620230303基于易损性曲线的斜拉桥横向抗震性能评估徐略勤1，2，贺洪滔1，张超1，徐意宏1(1 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074;2 重庆交通大学 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074)摘要:针对斜拉桥在 E1、E2 两水准设防地震作用下横向抗震性能的合理评估问题，采用增量动力分析方法(IDA)从构件和结构体系两个层面构建了背景工程的概率地震易损性曲线，研究了背景工程在两水准设防地震作用下出现轻微、中等、严重等 3 类损伤状态时的超越概率水平，以此评估斜拉桥的横向抗震性能。研究结果表明:在构件层面上，主塔、拉索、过渡墩和辅助墩在两水准设防地震下出现 3 类损伤状态的超越概率均低于 40%，且大部分低于30%，而球型钢支座出现中等损伤的超越概率最大超过 50%，是全桥横向抗震薄弱环节;在体系层面上，不论是一阶界限法还是二阶界限法，结构的损伤超越概率均明显高于各构件，且在两水准设防地震下发生中等损伤的概率最高(E2 地震下一阶和二阶界限法最高分别达 8877%和 8522%)，而严重损伤的发生概率低于 40%。关键词:桥梁工程;斜拉桥;易损性曲线;抗震性能;构件;体系;两水准地震中图分类号:U4425+5;TU3751文献标志码:A文章编号:1674-0696(2023)03-017-09Seismic Performance Evaluation of a Cable-Stayed Bridge alongTransverse Direction Based on Fragility CurvesXU Lueqin1，2，HE Hongtao1，ZHANG Chao1，XU Yihong1(1 School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2 State Key Laboratory of Bridge and Tunnel Engineering in Mountainous Areas Jointly Constructed by the Ministry andthe Province，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)Abstract:Aiming at the reasonable evaluation of lateral seismic performance of cable-stayed bridges under seismicfortification at both E1 and E2 levels，the incremental dynamic analysis method(IDA)was adopted to establish theprobabilistic seismic fragility curves of the background bridge at the component and structural system levels The exceedanceprobabilities of the three damage states，ie slight damage，medium damage and severe damage，of the background bridgeunder the dual-level design earthquakes were studied to evaluate the lateral seismic performance of cable-stayed bridges Theresearch results show that at the component level，the exceedance probabilities of the three types of damage states of thepylons，cables，transition piers and auxiliary piers under the dual-level seismic designs are all less than 40%，and most ofthem are lower than 30%While，the maximum exceedance probability of moderate damage to spherical steel bearingsexceeds 50%，which is a weak link in the transverse seismic resistance of the entire bridge At the system level，whether itis the first order limit method or the second order limit method，the damage exceedance probability of the structure issignificantly higher than that of each component The probability of moderate damage under two-level earthquake fortificationsis the highest(8877%and 8522%respectively for the first and second order limit methods under the E2 earthquake)，while the probability of serious damage is less than 40%Key words:bridge engineering;cable-stayed bridge;fragility curves;seismic performance;component;system;dual-leveldesign earthquakes收稿日期:2021-05-11;修订日期:2021-06-27基金项目:重庆市技术创新与应用发展专项重点项目(cstc2019jscx-gksbX0047);重庆市自然科学基金项目(cstc2019jcyj-msxmX0691);重庆交通大学研究生科研创新资助项目(2021S0010)第一作者:徐略勤(1983)，男，江西上饶人，教授，博士，主要从事桥梁抗震方面的研究。E-mail:xulueqin 163com通信作者:贺洪滔(1994)，男，重庆人，硕士研究生，主要从事桥梁抗震方面的研究。E-mail:hehongtao6221 163com0引言经过几十年的发展，斜拉桥的设计和施工技术得到了长足的进步，已成为跨越江河湖海、深沟巨壑的主要大跨桥型之一。斜拉桥的适用性很强，其结构体系根据建设条件和受力需求可以衍生出丰富的变化1。我国地震带分布广泛，是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一。在地震区建设的斜拉桥在纵桥向通常采用飘浮体系来避开地震能量集中段，并通过在塔-梁交接处设置减隔震装置控制主梁纵向位移，但在横桥向，斜拉桥抗震措施的施展空间相对受到更多的限制2，3。为了控制主梁的摆尾现象，斜拉桥在辅助墩和过渡墩处往往采取横向固定的约束形式。由于斜拉桥的桥面系质量集中，地震惯性力大，辅助墩和过渡墩一般承担了较大的横向地震力，因此使得它们往往成为抗震薄弱环节4。提高斜拉桥的横向抗震性能是工程设计的重点，也是学术界的研究热点之一。国内外对斜拉桥横向抗震性能的研究已有了一定的积累，但研究重点主要集中在各种减隔震装置对斜拉桥抗震性能的提升方面，如各类阻尼器的参数优化、主被动控制系统的减震分析等2-6。采用易损性曲线研究斜拉桥的抗震性能近年来逐渐得到重视。例如，PANG Yutao 等7 考虑材料和构件尺寸两方面 15 种不确定性因素，基于概率地震需求模型(PSDMs)建立了斜拉桥的地震易损性曲线;W TBANAWI 等8 针对安装了磁流变阻尼器 M 的斜拉桥进行易损性分析，以此探讨 M 的减震效果;马凯等9 基于易损性概率曲线讨论了失相干效应、场地效应、行波效应对飘浮体系斜拉桥抗震性能的影响;钟剑等10 提出两水准设防的斜拉桥易损性分析方法，通过易损性概率分析研究了拉索减震支座对改善斜拉桥抗震性能的有效性;胡思聪等11 认为，高墩多塔斜拉桥不宜沿用常规桥梁的地震动强度指标进行易损性分析，而应针对不同情况采用基本周期谱加速度或峰值谱位移。这些研究工作从不同角度对斜拉桥的地震易损性进行了有益的探讨，但结合设计地震强度对斜拉桥横向抗震性能的评估研究仍非常欠缺，仅钟剑等10 少数学者进行了尝试。实际上，采用易损性曲线法来指导工程抗震评估和设计仍有大量工作需要进一步开展，如构件和体系的损伤超越概率阈值与桥梁结构具体抗震性能目标相对应的问题，各类构件损伤状态及其损伤指标的划分和确定问题等。笔者借助于易损性分析手段，针对某新建斜拉桥的横向抗震性能，从关键构件到结构体系两个层面构建易损性曲线，并结合桥址场地两水准设防地震动进行抗震性能评估，旨为背景工程以及同类斜拉桥的抗震设计提供参考。该研究属于结合工程实践的初步探索。1分析背景与模型11桥梁概况某新建双塔5 跨斜拉桥主跨为285 m，两侧边跨处各设有辅助墩(即 2#墩和 5#墩)和过渡墩(即 1#墩和 6#墩)，桥梁全长 535 m，立面布置如图 1。索塔为两分离式独柱钢筋混凝土结构，3#和 4#塔上均分别设有单向+双向 2 个球型钢支座。图 1桥梁总体布置(单位:m)Fig 1General layout of the bridge辅助墩和过渡墩均为分离式矩形墩柱，且高度均为 11 m，其中前者采用双柱式，后者采用三柱式，如图 2。2#和 5#墩上均设有单向+双向 2 个球型钢支座，而 1#和 6#墩上则均设有双向+单向+双向 3个球型钢支座。主梁采用预应力混凝土双边箱梁，桥面全宽为 44 5 m。斜拉索为双索面布置，共80 对。1#6#塔或墩均采用群桩基础，其中，塔下桩径为 18 m，墩下桩径为 12 m。根据本桥桥址场81重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 42 卷地地震安全评估报告，两水准地震 E1、E2 对应的超越概率(100 a)分别为 10%和 3%，其对应的峰值地面加 速 度 aPG(peak ground acceleration)分 别 为0116g 和 0177g。图 2桥梁分析模型(单位:m)Fig 2Analytical model of the bridge12有限元建模基于 SAP2000 分析软件，建立背景工程的三维有限元分析模型，如图 2。全桥的非线性因素主要体现在球型钢支座上，索塔、过渡墩和辅助墩都按弹性梁柱单元建模，但考虑恒载二阶效应。塔和墩的塑性行为和损伤状态主要通过其地震需求与能力之间的相对关系来体现，这么做有一定的误差，但对于实际工程的抗震评估来说是便利的。斜拉索采用桁架单元模拟，考虑垂度效应的弹性模量 Ernst 修正公式。球型钢支座采用理想双线性滞回模型来模拟。其中，活动方向的摩擦系数取 003，固定方向的屈服力为支座竖向设计承载力的 20%12;桩-土相互作用采用 66 集中土弹簧模拟，通过 m 法计算土弹簧的刚度系数。由于边界条件对斜拉桥地震响应的影响不容忽视，尤其在横桥向，因此在主桥模型的左右两端各建立一联引桥模型。在进行时程响应分析时，结构阻尼采