近断层地震作用下钢筋混凝土连续梁桥地震易损性分析

第３９卷第１期　力　学　与　实　践　２０１７年２月　近断层地震作用下钢筋混凝土连续梁桥　地震易损性分析　

刘　强　）　王妙芳严通梅　（集美大学工程技术学院，福建厦门３６１０２１）　

摘要　考虑桥墩、支座构件及主梁的碰撞损伤指标，对钢筋混凝土连续梁桥进行了地震易损性分析．综合　考虑了结构参数的不确定性，从太平洋地震工程研究ｆＰａｃｉｆｉｃ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ＰＥＥＲ）数据　库中随机选取了２Ｏ条近场地震记录，得到大量的随机地震一结构样本．结合不同破坏状态下的桥梁损伤指标，　根据结构的能力与需求得到了桥梁各构件及整体桥梁结构的地震易损性曲线．从概率意义上判断在强烈地震作　用下桥梁结构所处的破坏状态，为今后在役的同类型桥梁震害预测提供了参考．　关键词　钢筋混凝土连续梁桥，近场地震，地震易损性分析，损伤指标，桥墩　

中图分类号：ＴＵ３１１．３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．６０５２／１０００—０８７９—１６—２０５　

ＳＥＩＳＭＩＣ　ＦＲＡＧＩＬＩＴＹ　ｏＦ　ＴＨＥ　ＲＣ　ＣｏＮＴＩＮＵｏＵＳ　ＧＩＲＤＥＲ　ＢＲＩＤＧＥ　ＵＮＤＥＲ　ＮＥＡＲ—ＦＡＵＩ　ＧＲ０ＵＮＤ　ＭｏＴＩｏＮＳ　ｌ　Ｊ　

ＬＩＵ　Ｑｉａｎｇ。）ＷＡＮＧ　Ｍｉａｏｆａｎｇ　ＹＡＮ　Ｔｏｎｇｍｅｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｍｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ　３６１０２１，Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｆｒａｇｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａ　ＲＣ（ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ）ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｉｔｈ　ｃｏｎ—　ｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄａｍａｇｅｓ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｐｉｅｒｓ，ｂｅａｒｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｂｅａｍ．Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｒａｎｄｏｍｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，２０　ｎｅａｒ—ｆａｕｌｔ　ｇｒｏｕｎｄ　ｍｏｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ＰＥＥＲ（Ｐａｃｉｆｉｃ　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄａｔａｂａｓｅ），ａｎｄ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｒａｎｄｏｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄａｍａｇｅ　ｉｎｄｅｘ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ　ｓｔａｔｅｓ，ｔｈｅ　ｆｒａｇｉｌｉｔｙ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ．Ａｃ—　ｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｓｉｍｉｌａｒ　ａｓ—ｂｕｉｌｔ　ｂｒｉｄｍｓ，ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｓｔａｔｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｅ　ｏｆ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＲＣ（ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ）ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ，ｎｅａｒ—ｆａｕｌｔ　ｇｒｏｕｎｄ　ｍｏｔｉｏｎｓ，ｓｅｉｓｍｉｃ　ｆｒａｇｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｄａｍａｇｅ　ｉｎｄｅｘ，ｐｉｅｒ　

近几年，人们注意到，近断层地震动明显的长周　期速度和位移脉冲运动可能对隔震建筑或桥梁等长　周期结构的抗震性能和设计带来不利影响［　一引．基　

于性能的桥梁抗震设计理论关注结构在多性能水准　

２０１６—０６—２０收到第１稿，２０１６—１０　３１收到修改稿．　１１福建省自然科学基金（２０１６Ｊ０１２４２）、福建教育厅自然科学基金（ＪＡ１３１８８）和福建省大学生创新创业基金（２０１６１０３９００６９）资助　

２）刘强，教授，博士，主要从事地震工程、工程抗震与减震控制研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｕｔａｎｑ００７￣ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｒｎ　引用格式：刘强，王妙芳，严通梅．近断层地震作用下钢筋混凝土连续梁桥地震易损性分析．力学与实践，２０１７，３９（１）：４０—４４　Ｌｉｕ　Ｑｉａｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｍｉａｏｆａｎｇ，＂ｆａｎ　Ｔｏｎｇｍｅｉ．Ｓｅｉｓｍｉｃ　ｆｒａｇｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＲＣ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ　ｕｎｄｅｒ　ｎｅａｒ－ｆａｕｌｔ　ｇｒｏｕｎｄ　ｍｏｔｉｏｎｓ．Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，３９（１）：４０—４４　第ｌ期　刘强等：近断层地震作用下钢筋混凝土连续梁桥地震易损性分析　４１　下的概率抗震能力，其中增量动力分析方法是近年　来发展起来的一种用于评价结构抗震性能的动力参　数分析方法【４　】．目前国内外学者对数值分析方法　的研究大多集中在对地震烈度或地震动峰值加速度　上，没有考虑近、远场地震动选取的不同；也少见同　时考虑地震动随机性及结构参数随机性，对结构进　行地震易损性分析、抗震性能评估与震害评价的研　究【６—７１．　中、长跨度的钢筋混凝土连续梁桥在我国高速　公路中是比较常见的桥型，且大都在高烈度地震区　域大量建设，很可能遭受非平稳特性很强的近断层　脉冲地震动作用．历次地震灾害统计资料表明此类　桥梁在近断层地震作用下，会发生支座脱落、伸缩缝　处的移位和墩梁相对位移过大以及主梁碰撞引发的　落梁等较严重的震害问题．为此，本文将结合工程实　际，以中、长跨度钢筋混凝土连续梁桥为对象，考虑　最易发生破坏的桥墩、支座以及主梁的碰撞构件，　对在近场地震作用下桥梁局部损伤构件及整体结构　系统进行增量动力分析，分别获得相应的地震易损　性曲线．为中、大跨度桥梁结构的抗震性能评估提供　理论依据．　

１地震易损性分析方法　结构的地震易损性是指给定地震动某一强度值　时，结构的破坏超过某一规定的概率．根据地震易损　性的定义，对于桥梁的易损性可以表达为［８】　

』　（口）＝Ｐ［ＥＤＰ≥　ｓ　Ｊ　』　：口Ｊ＝　，ｏ。　／　，ＲｉｚＭ［ｒｌａ］ｄｒ　（１）　

ｔ，　

式中，　（。）为地震易损性；Ｐ　ｒ．］为结构的破坏超过　某一规定的概率（失效概率）；ＥＤＰ为工程需求参　数，ＬＳ表示某一指定结构破坏状态，　Ｍ表示地震　动强度系数；ｆＲｉＪＭ【ｒ１０】是　Ｍ＝ａ时，结构或构件　的ＥＤＰ达到或超过某一指定结构（或构件）破坏状　态的条件概率密度ｆ即破坏超越概率１．　假定ＥＤＰ和，　之间服从对数正态分布关　系，则结构或构件的需求参数均值为［９］　Ａ　ＥＤＰ＝ｂ（ＩＭ）。　（２）　

其中，系数ｂ和ｃ为ｍ　和ＥＤＰ参数回归分析后　得到的系数．　进一步计算结构达到或超过破坏状态ＬＳ的地　震易损性　（。），通过统计方法进行曲线拟合，得到　光滑的“地震易损性曲线”，其方程的表达式为【加　Ｐ＝［ＥＤＰ≥ＬＳ　ＩＭ］＝　…［　］　㈤　式中　为标准正态分布累积密度函数，　为破坏　状态下的对数正态分布平均值．　ｓ，　ＰＤ分别为结　构能力、需求的对数标准差，本文取　ｓ＝０．６．地　震易损性分析可以评估桥梁结构或构件在某一特定　的地震烈度作用下，结构遭受损伤状态的概率．　２桥梁模型及随机地震动——结构样本　确定　２．１桥梁结构模型　本文研究对象为一座六等跨钢筋混凝土连续梁　桥，总长度为１２０ｍ，桥型布置如图１所示．桥梁上部　结构为６ｍｘ２０ｍ现浇混凝土箱型梁，梁高１．３ｍ，　采用Ｃ４０号混凝土．下部结构为钢筋混凝土圆形墩　柱，采用Ｃ３０号混凝土，其中①、⑤号墩为双柱式桥　墩，桥墩直径为１．３ｍ，墩高８ｍ，②、⑧、④号墩为变　截面的单柱式桥墩，墩高为８ｍ，直径为１．５ｍ的圆　形桥墩．主梁与桥墩墩顶之间采用两种抗震球形支　座连接（固定支座与活动支座）．在两岸台口设置伸　缩缝．桥墩基础材料为Ｃ３０混凝土．该地区抗震设　防烈度为８。，场地类别为ＩＩ类．本文利用ＯｐｅｎＳｅｅｓ　软件建立桥梁结构的弹塑性有限元动力分析模型，　在进行非线性时程计算分析时，仅考虑沿桥纵向地　震动输入时结构的地震响应．　伸　⑨　①　②　③　④　⑤　⑥　图１桥梁结构模型　２．２近场地震记录的选取　目前，地震动输入有人工拟合和实际地震记录　两种，但是人工生成的地震动是建立在规范规定的　标准反应谱基础之上，仅仅能体现地震动反应谱的　均值特性，不能反映地震动的随机性．本文选用实际　的近场地震波记录，并考虑地震波输入的随机性，研　力　学　与　实　践　２０１７年第３９卷　究资料表明，１０￣２０条地震记录能够达到一定精度．　为此本文从太平洋地震工程研究中心新一代地震记　录数据库中，根据桥梁所处的场地条件和震级，随　机选取断层距小于１０ｋｍ且存在明显速度脉冲效应　的近场地震记录２０条，其基本特征为：（１１断层距　变化范围：０　１０ｋｍ；ｆ２］２矩震级变化范围：６．５　６．９；　（３）ｕ　３０变化范围：２６０，－５１０ｍ／ｓ；（４）存在明显的速　度脉冲．各地震波的加速度反应谱及其均值反应谱　见图２．本桥一阶自振周期为０．９５４　Ｓ，所选近场地震　动记录与均值反应谱吻合较好．　

制　晨　

图２近场地震动反应谱及均值反应谱　２．３桥梁结构参数敏感性分析及随机地震动——　结构样本　本文取固定桥墩（②号墩１为研究对象，以墩底　的曲率延性作为评价指标，改变每组的参数，对比不　同参数样本与原始模型分析结果的差异，并进行归　一化处理，得到了地面运动峰值加速度ＰＧＡ＝１．Ｏｇ　时各结构参数敏感性，如图３所示．从图中可以看　出，钢筋屈服强度、上部结构质量、支座摩擦系数、　混凝土抗压强度这几个结构参数变量曲线的斜率较　大，表明桥梁结构对于地震响应较为敏感．因此采　擗　看　ｇ　ｕ呈　】　．４　．２　．０　．８　．６　．４　．２　一支座摩擦系数　混凝蜘单性模基　用拉丁超立方抽样法ＬＨＳ　ｆＬａｔｉｎ　ｈｙｐｅｒｃｕｂｅ　Ｓａｌｌｌ—　ｐｉｉｎｇ）对４个主要参数进行随机组合形成１００个分　析的桥梁结构样本．最终，再将桥梁结构样本与选　择的地震波记录进行组合生成随机地震一结构分析　样本．　３桥梁系统结构的地震易损性分析　３．１损伤指标的确定　本文破坏状态的定义采用灾害损失评估系统　ＨＡＺＵＳ中定义的方法，将破坏等级分为无损伤、轻　微破坏、严重破坏以及倒塌４种，通过截面Ｍ一　关　系确定各损伤状态对应的曲率，以此作为评判结构　损伤的依据［１１－１３１．为此从桥梁结构的桥墩的破坏，　活动支座破坏以及主梁的碰撞三个方面定义桥梁的　破坏状态，并以此来确定其相应的损伤指标．　３．１．１桥墩　不同破坏状态下桥墩的损伤指标可以通过截面　的弯矩曲率关系来确定．震害经验也表明，在地震　作用下，桥墩底部一般首先失效破坏．因此以桥墩底　部截面曲率定义破坏状态，桥墩各级损伤状态及损　伤指标描述，如表１所示．