非規(guī)則橋梁近、遠(yuǎn)場地震易損性對比分析

董　俊, 單德山, 張二華, 馬　騰

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 610031 成都)

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非規(guī)則橋梁近、遠(yuǎn)場地震易損性對比分析

董俊, 單德山, 張二華, 馬騰

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 610031 成都)

摘要:為研究高墩大跨非規(guī)則橋梁的近、遠(yuǎn)場地震易損性，建立了典型非規(guī)則公路連續(xù)剛構(gòu)橋的理論地震易損性模型. 考慮近、遠(yuǎn)場地震動和橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，抽樣并生成橋梁近、遠(yuǎn)場地震易損性分析的模型樣本庫，利用OpenSees軟件對模型樣本庫進(jìn)行非線性動力時(shí)程分析，獲得結(jié)構(gòu)動力響應(yīng). 而后在確定橋梁各易損構(gòu)件損傷指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用概率地震需求分析方法建立了橋梁各構(gòu)件近、遠(yuǎn)場地震易損性曲線并進(jìn)行對比分析. 分析結(jié)果表明：非規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)的易損性情況與地震動頻譜特性、結(jié)構(gòu)非規(guī)則性密切相關(guān)，各構(gòu)件近場地震動損傷概率明顯高于遠(yuǎn)場. 將地震動按斷層距分組進(jìn)行橋梁地震易損性分析是必要的. 獲得的易損性曲線可用于評估非規(guī)則橋梁的抗震性能，并為震后橋梁損傷評估提供依據(jù).

關(guān)鍵詞:非規(guī)則； 近、遠(yuǎn)場地震； 公路橋梁； 地震易損性； 易損性曲線

近年來，隨著中國西部交通路網(wǎng)迅速發(fā)展，西部地區(qū)涌現(xiàn)出大量的公路交通線. 為了跨越這些地形復(fù)雜、山高谷深，溝壑縱橫的地區(qū)，高墩大跨度非規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用(其中以公路三跨連續(xù)剛構(gòu)橋較為常見)，其跨度與橋墩高度往往較大，各橋墩之間的高差也相差很大，有時(shí)可達(dá)三、四十米. 而西部地區(qū)地震帶分布廣泛，地震活動頻繁，很多橋梁正處于地震頻發(fā)區(qū)和高烈度區(qū)域，近場地震常造成橋梁結(jié)構(gòu)極其普遍和嚴(yán)重的破壞[1]，這使得橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全受到巨大的挑戰(zhàn). 而目前在中國公路橋梁抗震規(guī)范中，對于墩高大于40 m的橋梁，并沒有較為合理有效的抗震評估方法[2].

隨著各國抗震理論的不斷發(fā)展，地震易損性分析方法已成為評估橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段，它反映了特定強(qiáng)度地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)超過規(guī)定破壞極限狀態(tài)的概率，一般采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模擬這兩種途徑獲得[3]. 由于缺乏具體震害資料，近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對數(shù)值模擬分析法的易損性模型進(jìn)行了更加廣泛和系統(tǒng)的研究. Mackie 等[4]針對美國典型公路三跨連續(xù)梁橋進(jìn)行了遠(yuǎn)場地震易損性研究；吳文朋等[5]基于IDA(incremental dynamic analysis)分析法對規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了遠(yuǎn)場地震易損性分析；Danusa等[6]對加拿大5種常見類型橋梁進(jìn)行了遠(yuǎn)場地震易損性分析；Billah等[7]對美國加州典型π型橋墩開展了近、遠(yuǎn)場地震易損性分析. 但以上大部分易損性研究工作僅針對常見規(guī)則橋梁(如簡支梁、中小跨度連續(xù)梁等)及單個(gè)橋梁構(gòu)件(如橋墩、支座等)進(jìn)行的，且大部分學(xué)者主要研究遠(yuǎn)場地震易損性，而對于像西部地區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)這類非規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)在近場地震作用下的易損性研究較少，因此急需開展高墩、大跨非規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)近、遠(yuǎn)場地震易損性分析工作，深入研究近、遠(yuǎn)場地震作用下非規(guī)則橋梁的抗震性能(下文中所研究的“非規(guī)則橋梁”僅代表高墩、大跨非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)這類橋型).

基于此，本文以一座西部地區(qū)典型高墩大跨非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋作為研究對象，考慮地震動和結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，采用概率性地震需求分析方法，建立這類橋梁在近、遠(yuǎn)場地震作用下的易損性曲線，對比分析近、遠(yuǎn)場橋梁的地震易損性特點(diǎn)，評估這類橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，為該類橋梁在近場高震區(qū)的設(shè)計(jì)及震后損傷識別等提供依據(jù).

1地震易損性分析方法

1.1概率地震需求模型

(1)

式中a和b為未知系數(shù)，通過回歸分析求解得到. 由于結(jié)構(gòu)在每種地震動強(qiáng)度下對應(yīng)唯一的結(jié)構(gòu)需求，則結(jié)構(gòu)地震需求的離散度βE|M為

(2)

式中：ei為橋梁結(jié)構(gòu)在第i個(gè)地震作用下的地震需求峰值；Mi為第i個(gè)地震動強(qiáng)度峰值；N為地震動的總數(shù).

基于回歸分析確定對數(shù)正態(tài)分布參數(shù)后，概率性地震需求模型即可表示為

(3)

式中：μ=(lne-lna)·b-1為在給定地震需求條件下，其對應(yīng)地震動強(qiáng)度中位數(shù)的自然對數(shù)值；ξ=βE|M·b-1為對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差.

1.2構(gòu)件地震易損性分析

基于上述概率地震需求模型，便可建立地震易損性曲線，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震易損性分析. 橋梁構(gòu)件地震易損性可定義為在特定地震動強(qiáng)度作用下，橋梁構(gòu)件的抗震需求達(dá)到或超越其自身實(shí)際抗震能力的概率，當(dāng)假設(shè)構(gòu)件的抗震能力和需求服從對數(shù)正態(tài)分布時(shí)，其計(jì)算公式為

(4)

式中：βc為橋梁構(gòu)件抗震能力對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)累計(jì)分布函數(shù)；Sc為某種極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)抗震能力的中位數(shù)；Sd為結(jié)構(gòu)地震需求中位數(shù).

2工程實(shí)例

2.1工程概況及有限元模型

以西部地區(qū)某非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，研究了這類非規(guī)則橋梁的地震易損性. 該橋位于II類場地，其上部結(jié)構(gòu)為三跨變截面連續(xù)箱梁，橋跨布置為(125+220+125)m，采用C60混凝土；2#、3#主墩采用相同截面形式的矩形空心墩，兩側(cè)交接墩采用雙柱薄壁空心墩，橋墩為C40混凝土，1#～4#墩墩高分別為67.45、102.0、99.5、85.42 m，如圖1所示；橋墩縱向配筋率為1.2%，配箍率為0.75%，縱筋和箍筋均采用HRB335級；在1#、4#墩安裝了GPZ10SX±200雙向活動盆式支座，抗震設(shè)防類別為A類.

采用OpenSees軟件建立了全橋有限元模型. 主梁采用彈性梁單元模擬，考慮自重和二期恒載. 盆式支座按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[9]6.3.7節(jié)建議的方法采用雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬. 橋墩采用彈塑性纖維單元模擬，單元中鋼筋和混凝土材料被賦予了相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，其中混凝土的本構(gòu)關(guān)系由Kent-Scott-Park模型確定；鋼筋本構(gòu)關(guān)系由Giuffre-Menegotto-Pinto模型確定，兩種材料的本構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[10].

圖1　橋梁結(jié)構(gòu)概況示意圖(cm)

2.2不確定性

2.2.1地震動的不確定性

目前工程界常按斷層距大小來劃分近、遠(yuǎn)場地震，即斷層距不超過某一限值的地震動為近場地震動，反之為遠(yuǎn)場地震動. 但斷層距限值仍未統(tǒng)一，不同學(xué)者有不同觀點(diǎn)，總的來說限值都定義在20～60 km這個(gè)范圍[11]，具體的取值要結(jié)合震級和地震影響.

根據(jù)橋梁所處場地類型，以公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[9]中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為目標(biāo)譜，參考Luco[12]的分析方法，從太平洋地震工程研究中心的“強(qiáng)地面運(yùn)動數(shù)據(jù)庫”選出了土層平均剪切波速在250 m/s30 km.

本文主要研究結(jié)構(gòu)縱橋向的地震易損性. 其中選取的近場地震動類型較為豐富，包含有走滑斷層地震動(1999年土耳其Kocaeli地震)，傾滑斷層地震動(1999年臺灣集集地震、1994年美國Northridge地震)等類型. 選出的地震能夠充分體現(xiàn)近場地震動高能量脈沖運(yùn)動的特征，并包含有方向性效應(yīng)、長周期速度脈沖效應(yīng)、上盤效應(yīng)及滑沖效應(yīng)等. 圖2給出了從Kocaeli地震中選取的某條近場地震動記錄[13](震中距2.6 km，臺站名稱KOCAELI/YPT330)，該地震動記錄包含了明顯的雙向速度脈沖現(xiàn)象，這種速度脈沖是斷層上大多數(shù)地震輻射的累計(jì)效果.

近、遠(yuǎn)場地震動的動力放大系數(shù)β譜如圖3所示，圖中還給出了近、遠(yuǎn)場動力放大系數(shù)均值和規(guī)范建議取值. 由圖可知一些地震動的動力放大系數(shù)峰值遠(yuǎn)高于規(guī)范反應(yīng)譜中建議的β=2.25的數(shù)值[9]，并且兩組地震動的動力放大系數(shù)的離散性也比較大，但兩組地震動的動力放大系數(shù)均值總體來說與規(guī)范建議值還是比較接近.

圖2　Kocaeli地震KOCAELI/YPT臺站地震動記錄結(jié)果

圖3　地震波動力放大系數(shù)β譜(ξ=0.05)

對比近、遠(yuǎn)場β譜均值曲線可知，遠(yuǎn)場地震動的β譜峰值敏感區(qū)[14]比較集中，而近場地震動的β譜峰值敏感區(qū)較寬，且下降較緩慢，為進(jìn)一步了解所選地震動的特征，圖4給出了兩組地震動PGV/PGA和PGD/PGV指標(biāo)比值分布圖(圖中將指標(biāo)比值由大到小進(jìn)行排序，PGV(peak ground velocity)為地震動峰值速度，PGD(peak ground displacement)為地震動峰值位移)，由圖可知近場地震動PGV/PGA比值比遠(yuǎn)場地震動比值偏高，這說明近場地震動低頻分量豐富、特征周期較長. 而近場地震動PGD/PGV比值比遠(yuǎn)場地震動略低，這表明近場地震動位移敏感區(qū)會較早出現(xiàn).

圖4　近、遠(yuǎn)場地震動指標(biāo)值分布

2.2.2橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性

對于非規(guī)則橋梁而言，其材料特性及荷載效應(yīng)的不確定性將直接影響橋梁自身的抗震性能，因此在易損性分析時(shí)需考慮上述因素的影響. 針對非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合汶川地震橋梁震害調(diào)查資料及以往研究成果[10]，本文確定了易損性分析中的不確定性參數(shù)及其分布特征參數(shù)，見表1.

表1　不確定性參數(shù)及其分布特征參數(shù)表

2.3橋梁結(jié)構(gòu)概率地震需求分析

根據(jù)上述分析流程對橋梁各構(gòu)件進(jìn)行概率地震需求分析，便可確定各構(gòu)件地震需求與地震動強(qiáng)度之間的關(guān)系式.

2.4橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性分析

2.4.1橋梁構(gòu)件易損性分析

基于2.3節(jié)的分析結(jié)果，利用式(4)便可得到近、遠(yuǎn)場地震作用下各構(gòu)件在4種損傷狀態(tài)下的地震易損性曲線，見圖5. 由圖5可知在近、遠(yuǎn)場地震作用下不同構(gòu)件的易損性曲線有類似的形狀，但不同的損傷狀態(tài)具有不同的損傷概率. 由各構(gòu)件的易損性曲線可知，1#、4#邊墩支座最容易發(fā)生損傷，而2#、3#中墩墩頂截面最不容易發(fā)生損傷. 為比較各構(gòu)件易損性具體情況，采用超越概率地震動強(qiáng)度指標(biāo)中位數(shù)來描述構(gòu)件的易損性，即某一損傷狀態(tài)下中位數(shù)越小構(gòu)件越容易發(fā)生損傷破壞，各構(gòu)件在近、遠(yuǎn)場地震作用下4種損傷狀態(tài)所對應(yīng)地震動強(qiáng)度指標(biāo)中位數(shù)見表2.

由表2可知，在近、遠(yuǎn)場地震作用下，對于輕微和中等損傷狀態(tài)，4#邊墩支座最容易發(fā)生損傷，其次是1#邊墩支座、2#墩底截面、3#墩底截面、1#墩底截面、4#墩底截面、2和3#墩頂截面.

對于嚴(yán)重和完全損傷狀態(tài)，2#、3#橋墩墩頂截面幾乎不會發(fā)生這兩種損傷. 而兩邊墩支座依然最容易發(fā)生損傷，其次是兩邊墩墩底截面、兩中墩墩底截面，此時(shí)各墩底截面易損情況與輕微和中等損傷結(jié)果略有不同.

圖5　橋梁構(gòu)件近、遠(yuǎn)場地震易損性曲線

構(gòu)件中位數(shù)輕微損傷遠(yuǎn)場近場中等損傷遠(yuǎn)場近場嚴(yán)重?fù)p傷遠(yuǎn)場近場完全損傷遠(yuǎn)場近場1#墩支座0.310.260.570.510.890.831.151.084#墩支座0.260.240.540.500.850.811.111.071#墩墩底0.750.631.060.881.541.292.031.712#墩墩底0.540.440.640.522.391.844.123.573#墩墩底0.560.450.670.542.552.034.223.444#墩墩底0.870.721.221.031.671.422.181.873#墩墩頂4.283.115.984.41————2#墩墩頂3.993.195.694.53————

綜上所述，因非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋各墩高差較大，使得在地震作用下橋梁各構(gòu)件的易損性存在差異. 這種差異一方面表現(xiàn)在各橋墩或支座在相同損傷狀態(tài)下?lián)p傷破壞概率各不相同，另一方面不同損傷狀態(tài)對應(yīng)的橋梁構(gòu)件易損分布規(guī)律也不盡相同. 因此開展非規(guī)則橋梁地震易損性分析，深入研究其抗震性能是非常必要的.

此外，近、遠(yuǎn)場地震易損性曲線有類似的形狀，但同一構(gòu)件在兩種地震動作用下的損傷概率卻存在一定的差異，因此需要對近、遠(yuǎn)場地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)易損性的特點(diǎn)及差異進(jìn)行深入研究.

2.4.2近、遠(yuǎn)場地震易損性對比分析

為研究非規(guī)則橋梁各構(gòu)件近、遠(yuǎn)場地震易損性的差異，將相同構(gòu)件的易損性曲線繪于同一圖形中，并對比分析兩種地震易損性的不同，圖6給出了4種構(gòu)件在輕微損傷狀態(tài)下對應(yīng)的近、遠(yuǎn)場易損性曲線.

圖6　各構(gòu)件近、遠(yuǎn)場地震易損性曲線對比

由圖6可知，4種構(gòu)件在輕微損傷狀態(tài)下，其近、遠(yuǎn)場易損性曲線存在一定的偏差，且近場易損性大于遠(yuǎn)場. 不同構(gòu)件的損傷概率偏差程度和出現(xiàn)偏差范圍均不相同，如：1#墩墩底損傷概率偏差范圍為0.2g～1.2g；4#邊墩支座偏差范圍為0.1g～0.8g.

由上述分析可知，對于非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋各危險(xiǎn)截面和支座，在相同PGA條件下，近場地震損傷概率比遠(yuǎn)場地震損傷概率大，且兩者的偏差情況與結(jié)構(gòu)部位、損傷狀態(tài)密切相關(guān).

為進(jìn)一步分析橋梁結(jié)構(gòu)近、遠(yuǎn)場地震易損性差異的具體特征，圖7給出了部分構(gòu)件近、遠(yuǎn)場損傷概率偏差與PGA的關(guān)系曲線.

圖7　各構(gòu)件近、遠(yuǎn)場地震損傷概率偏差趨勢

由圖7可知，對于1#、2#墩墩底截面，在輕微和中等損傷狀態(tài)下，其近、遠(yuǎn)場損傷概率偏差變化趨勢相近，均為先增加后減小，最大偏差值在13%～14%之間. 而對于嚴(yán)重和完全破壞狀態(tài)，兩種截面近、遠(yuǎn)場損傷概率偏差均隨著PGA的增加而增加.

對于邊墩支座，4種損傷狀態(tài)下，近、遠(yuǎn)場損傷概率偏差值的變化趨勢均為先增加后減小，但各損傷狀態(tài)最大偏差所對應(yīng)的PGA值各不相同，最大偏差概率達(dá)到15.6%.

對于中墩墩頂截面，在輕微和中等損傷狀態(tài)下，概率偏差隨著PGA的增大而緩慢增大. 嚴(yán)重和完全破壞對應(yīng)的偏差幾乎為零.

綜上可知，對于非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件在近、遠(yuǎn)場地震作用下發(fā)生損傷破壞的概率存在明顯的差異，最大損傷概率偏差可達(dá)15.6%，其損傷概率偏差大小和偏差變化趨勢與結(jié)構(gòu)部位、損傷狀態(tài)密切相關(guān).

在實(shí)際工程中，人們往往關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防等級，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[9]第3.1.4節(jié)可知，各類公路橋梁采用抗震烈度作為橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，以此確定橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防等級，而抗震設(shè)防烈度與地震動峰值加速度存在對應(yīng)關(guān)系. 因此，本文重點(diǎn)關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)抗震等級，即橋梁在特定PGA下的抗震性能，也就是重點(diǎn)關(guān)注地震損傷概率. 基于此，本文結(jié)合規(guī)范[9]與上述近、遠(yuǎn)場地震易損性研究成果，對比研究近、遠(yuǎn)場地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)防烈度8度(0.3g)和9度(0.4g)時(shí)的損傷概率差異性. 表3給出了兩種抗震設(shè)防烈度下各構(gòu)件近、遠(yuǎn)場損傷概率偏差數(shù)據(jù).

表3　橋梁構(gòu)件近、遠(yuǎn)場地震損傷概率偏差數(shù)據(jù)表

為了研究橋梁各構(gòu)件偏差的相互關(guān)系，利用表4中數(shù)據(jù)對各構(gòu)件偏差值進(jìn)行了相關(guān)性分析(圖8)，分析結(jié)果表明，兩邊墩墩底截面的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.93以上，兩中墩墩底截面相關(guān)系數(shù)均大于0.97，兩墩頂截面的相關(guān)系數(shù)均為1，兩支座的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94以上，因此可以分別研究墩頂截面、邊墩墩底截面、中墩墩底截面、支座4種類型構(gòu)件的損傷概率偏差值特征.

圖8　各構(gòu)件損傷概率偏差值相關(guān)系分析云圖

由表3可知，對于2#、3#中墩底截面，綜合考慮輕微損傷和中等損傷情況，在0.3g時(shí)近、遠(yuǎn)場損傷概率偏差在7%～10%，0.4g損傷偏差在10%～13%，此時(shí)兩種損傷狀態(tài)對應(yīng)的偏差均值分別為12.43%和10.58%，這表明0.2g～0.3g近場地震作用下，中墩墩底截面的損傷概率要比遠(yuǎn)場地震作用的損傷概率高出10%～13%.

對于邊墩墩底截面，綜合考慮輕微損傷和中等損傷，各邊墩損傷概率偏差在2%～8%之間. 而對于支座，輕微損傷狀態(tài)下?lián)p傷概率偏差在10%～13%之間，中等損傷偏差在8%左右，嚴(yán)重?fù)p傷概率偏差在3%左右.

由上述分析可知在抗震設(shè)防烈度8度(0.3g)和9度(0.4g)條件下，近場地震作用對非規(guī)則橋梁各構(gòu)件的破壞概率比遠(yuǎn)場地震要高，不同構(gòu)件其損傷概率偏差大小不同，整體看來偏差最大發(fā)生在邊墩支座，其次是中墩墩底截面. 偏差較大的損傷狀態(tài)為輕微和中等損傷狀態(tài).

綜上所述，對于高墩大跨非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋，在近場地震作用下其地震損傷概率比遠(yuǎn)場地震損傷概率更大，且不同構(gòu)件具有不同的易損性特征. 結(jié)合圖3、4、7可知，導(dǎo)致上述結(jié)果的主要原因是近、遠(yuǎn)場地震動頻譜特性存在明顯的差異以及橋梁自身的非規(guī)則性. 對于近場地震動，其PGV/PGA比值相比于遠(yuǎn)場地震動更大，這促使近場地震動反應(yīng)譜產(chǎn)生較寬的加速度敏感區(qū)，而對于大跨高墩橋梁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)周期較長，由于近場地震動加速度敏感區(qū)較寬，導(dǎo)致大跨高墩橋梁結(jié)構(gòu)越來越多的振型處于該區(qū)域內(nèi)，使得近場地震動激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)會顯著增大. 此外由于所選取的近場地震動PGD/PGV比值較小，其位移敏感區(qū)會較早出現(xiàn)，且選取近場地震動包含有明顯的速度脈沖等現(xiàn)象，這使得長周期的大跨高墩非規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)入位移敏感區(qū)后將造成更大的位移沖擊，即非規(guī)則橋梁在近場地震動作用下需要更大的強(qiáng)度來保持結(jié)構(gòu)的安全，另一方面，由于橋梁各墩高差較大，使得各構(gòu)件的地震響應(yīng)更為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的抗震需求與常規(guī)橋梁相比更加難以確定. 因此進(jìn)一步深入研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(墩高、跨度等參數(shù))的橋梁地震易損性分布規(guī)律是今后解決高墩大跨非規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)抗震問題的重要途徑.

3結(jié)論

1)對于非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋，在近、遠(yuǎn)場地震作用下各構(gòu)件地震易損性較大，輕微損傷對應(yīng)的各構(gòu)件PGA中位數(shù)變化范圍在0.26g～3.99g之間，中等損傷對應(yīng)的PGA中位數(shù)變化在0.51g～5.69g之間，嚴(yán)重?fù)p傷和完全破壞對應(yīng)的PGA中位數(shù)變化范圍更大.

2)依據(jù)非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋各構(gòu)件近、遠(yuǎn)場易損性分析結(jié)果可知，邊墩支座最容易發(fā)生損傷破壞. 而對于各墩底截面，2#墩墩底截面最容易發(fā)生輕微和中等破壞，1#墩墩底截面最容易發(fā)生嚴(yán)重和完全破壞.

3)非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋各構(gòu)件近、遠(yuǎn)場易損性對比分析表明：橋梁結(jié)構(gòu)近場地震損傷概率比遠(yuǎn)場要大，且構(gòu)件近、遠(yuǎn)場地震損傷概率存在一定偏差，支座最大損傷概率偏差可達(dá)15.6%，邊墩墩底截面最大偏差可達(dá)14.2%. 各構(gòu)件損傷概率偏差大小和偏差變化趨勢與結(jié)構(gòu)部位、損傷狀態(tài)密切相關(guān).

4)在抗震設(shè)防烈度8度或9度條件下，對各構(gòu)件近、遠(yuǎn)場地震易損性偏差分析表明：在輕微和中等損傷狀態(tài)下，邊墩支座近、遠(yuǎn)場損傷概率偏差在7.0%～13.0%之間；各中墩墩底截面近、遠(yuǎn)場損傷偏差在7.5%～11.0%之間，因此研究非規(guī)則橋梁近場地震易損性及其抗震性能至關(guān)重要.

5)近、遠(yuǎn)場地震動頻譜特性的差異及橋梁結(jié)構(gòu)自身的非規(guī)則性導(dǎo)致了高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋近、遠(yuǎn)場地震易損性的不同，橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性的大小與地震動的PGV/PGA比值、PGD/PGV比值、加速度敏感區(qū)寬度及斷層距等因素密切相關(guān).

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(編輯魏希柱)

Near and far-field seismic fragility comparative analysis of irregular bridge

DONG Jun, SHAN Deshan, ZHANG Erhua, MA Teng

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, 610031 Chengdu, China)

Abstract:In order to carry out the near and far-field seismic vulnerability, the seismic vulnerability model of a certain typical irregular highway continuous rigid frame bridge of China was created. Considering the uncertainty of near and far-field earthquake and bridge parameters, by adopting sampling method, the model sample database was generated to carry out bridge seismic vulnerability analysis. In order to obtain the structural near and far-field dynamic response respectively, every model in the database was calculated by using nonlinear time history analysis by using the software such as OpenSees. And the pier and bearing damage index were obtained. Then based on the above studied results, and then the near and far-field fragility curves of bridge dangerous members were obtained by using the probabilistic seismic demand analysis method and then a comparative study analysis for near and far-field seismic vulnerability for the structural damage state was determined. The results showed that, the vulnerability condition of the bridge component was closely related to spectral characteristics of ground-motion and irregular structure, and the near-field damage probability was significantly higher than the far-field’s; so it was very necessary to carry out vulnerability research according to near and far fault ground motion. Finally the fragility curves obtained can be used to evaluate the seismic performance of irregular bridges, and can provide the basis for post-earthquake damage assessment.

Keywords:irregular; near and far-field earthquake; highway bridge; seismic vulnerability; fragility curves

中圖分類號:U448.23；U442.55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0159-07

通信作者:董俊, dj07swjtu@126.com.

作者簡介:董俊(1988—), 男, 博士研究生;

基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB036300-2);

收稿日期:2014-11-26.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.027

國家自然科學(xué)基金(51078316);

四川省科技計(jì)劃資助(2011JY003).

單德山(1969—), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師.