工程與技術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科

基于概率性地震需求模型的橋梁易損性分析

鄭凱鋒，陳力波，莊衛(wèi)林，等

摘要：目的：橋梁地震易損性模型對(duì)于交通系統(tǒng)損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、橋梁抗震加固修復(fù)決策及地震后緊急應(yīng)急方案完善等都具有非常重要的指導(dǎo)意義。本論文旨在針對(duì)汶川地區(qū)典型簡(jiǎn)支梁橋，采用概率性地震需求分析方法，建立汶川地區(qū)典型簡(jiǎn)支梁橋的分析型地震易損性模型。方法：首先介紹了汶川地區(qū)某典型簡(jiǎn)支梁橋基本資料，詳細(xì)分析了包括主梁、支座、橋墩、帽梁、基礎(chǔ)、橋臺(tái)等橋梁主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料本構(gòu)及模擬方法，基于 OpenSees建立了橋梁結(jié)構(gòu)的非線性有限元模型。選擇汶川地震實(shí)測(cè)記錄作為橋梁非線性動(dòng)力分析的原始輸入地震波，對(duì)地震記錄分別進(jìn)行了基準(zhǔn)線校準(zhǔn)、濾波和截?cái)嘈拚ａ槍?duì)橋梁模型參數(shù)的不確定性進(jìn)行分析，采用拉丁超立方抽樣方法對(duì)其進(jìn)行抽樣并生成一系列橋梁的有限元模型樣本?；谇笆鲂拚蟮你氪ǖ卣饘?shí)測(cè)記錄對(duì)模型樣本進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析，同時(shí)記錄每一組分析中橋梁構(gòu)件的地震峰值響應(yīng)，建立橋梁主要構(gòu)件的概率性地震需求模型。在確定了橋梁不同損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的構(gòu)件極限狀態(tài)基礎(chǔ)上，依據(jù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布假設(shè)基于此前建立的概率性地震需求模型，生成不同損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的橋梁構(gòu)件地震易損性曲線，同時(shí)基于可靠度理論計(jì)算得到橋梁系統(tǒng)易損性的上下確界。結(jié)果：（1）依據(jù)概率性地震需求分析可知，地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)PGA與構(gòu)件地震響應(yīng)需求在對(duì)數(shù)空間下相關(guān)性并不理想，兩者最大相關(guān)系數(shù)為 0.731，因此有必要對(duì)不同地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的分析比較研究。（2）依據(jù)橋梁構(gòu)件地震易損性分析可知，不同損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的各構(gòu)件地震易損性差異較大。最易發(fā)生輕微破壞損傷狀態(tài)的橋梁構(gòu)件為橋臺(tái)，對(duì)應(yīng)的PGA中位值為0.1803 g；最易發(fā)生完全垮塌損傷狀態(tài)的橋梁構(gòu)件為支座，對(duì)應(yīng)的PGA中位值為0.9458 g。對(duì)于汶川地震典型簡(jiǎn)支橋梁，其墩柱的地震易損性優(yōu)于其他兩種橋梁構(gòu)件。（3）依據(jù)橋梁系統(tǒng)地震易損性分析可知，不同損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的橋梁構(gòu)件地震易損性與橋梁系統(tǒng)易損性上下確界差異較大，總體而言系統(tǒng)易損性明顯高于構(gòu)件易損性，因此如果單純采用橋梁構(gòu)件（如墩柱）易損性作為橋梁系統(tǒng)的易損性刻畫(huà)會(huì)導(dǎo)致較大誤差。（4）采用一階邊界方法確定橋梁系統(tǒng)易損性的上下確界之間亦有較大差別，不同損傷狀態(tài)下兩者對(duì)應(yīng)的PGA均值之間最大差異達(dá)到130%，因此可進(jìn)一步采用Monte Carlo方法對(duì)系統(tǒng)易損性進(jìn)行更為精確詳實(shí)的分析研究。結(jié)論：本文采用概率性地震需求分析方法，建立了橋梁主要構(gòu)件地震響應(yīng)需求與地震動(dòng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，在確定橋梁構(gòu)件極限狀態(tài)基礎(chǔ)上，建立了不同損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的橋梁構(gòu)件地震易損性模型，最后基于可靠度理論對(duì)橋梁系統(tǒng)地震易損性進(jìn)行了分析。研究成果進(jìn)一步揭示了橋梁動(dòng)力學(xué)行為和地震響應(yīng)機(jī)理，提升了橋梁地震易損性建模分析的精度和效率，可為后續(xù)該類(lèi)型橋梁抗震評(píng)估及加固決策提供依據(jù)。

來(lái)源出版物：工程力學(xué), 2013, 30(5): 165-171

入選年份：2017

薄鋼板PEC柱-鋼梁端板對(duì)拉螺栓連接滯回性能試驗(yàn)研究

馬吉，方有珍，陸承鐸，等

摘要：目的：為了研究薄鋼板組合截面PEC柱—鋼梁連接中節(jié)點(diǎn)的抗震性能，本文通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行水平循環(huán)荷載下的滯回性能試驗(yàn)，研究組合柱布置與梁削弱截面位置變化對(duì)其抗震性能的影響規(guī)律。方法：試件設(shè)計(jì)根據(jù)試件設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際層高為3.6 m的框架底層中節(jié)點(diǎn)為原型，取上下柱反彎點(diǎn)高度0.625倍縮尺制作試件，其中鋼柱采取 Q235薄鋼板焊接組合截面(構(gòu)件 S1A與S1C 的柱為同一柱）和I18工字鋼。鋼梁與端板連接采用手工焊；鋼梁端板與PEC柱采用8.8級(jí) M18高強(qiáng)螺栓連接，混凝土初步設(shè)計(jì)值為C20。試驗(yàn)加載方案：試件S1B以3 mm為初級(jí)，以后按3 mm遞增（最后兩級(jí)為9 mm），試件S1A、試件S1C以6 mm為加載級(jí)；試件S1B加載至99 mm，試件S1A加載至90 mm，試件S1C加載至72 mm，每級(jí)荷載采取2個(gè)循環(huán)；加載至試件承載力下降到極限承載力 85%或側(cè)移超過(guò) 3.5%作為試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)志。結(jié)果：（1）荷載較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)變形主要來(lái)自于高強(qiáng)螺栓彈性變形，卸載時(shí)螺栓變形恢復(fù)，殘余變形極小，結(jié)構(gòu)基本復(fù)位；隨著荷載的繼續(xù)，梁削弱截面處翼緣逐漸屈服并逐漸向腹板擴(kuò)展，整個(gè)截面屈服后，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)主要由梁削弱截面形成塑性鉸提供。（2）試件S1B為弱軸初始剛度最小，試件S1A和S1C十分接近，表明初始剛度對(duì)削弱截面位置并不敏感，而柱截面布置的是影響節(jié)點(diǎn)抗側(cè)剛度的關(guān)鍵因素。（3）試件S1A和S1B在峰值荷載前后有較長(zhǎng)的水平屈服平臺(tái)，顯示試件具有較好延性和后期變形能力；試件S1C由于削弱截面的外移，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)剛度偏大和承載力有一定程度的提高，但由于梁與端板連接處焊縫缺陷導(dǎo)致過(guò)早斷裂使得試驗(yàn)未繼續(xù)進(jìn)行，而已有數(shù)據(jù)分析表明在焊縫確保質(zhì)量條件下，應(yīng)具有較好延性。（4）試件S1A由于其中梁削弱截面進(jìn)入屈服較快，且較為充分，耗能相對(duì)最優(yōu)，試件SIB由于PEC柱采用弱軸布置，“強(qiáng)柱弱梁”要求滿足較S1A相對(duì)差，梁進(jìn)入屈服延緩，但耗能較為充分；試件SIC雖然采用PEC柱強(qiáng)軸布置，但由于削弱截面外移，造成“強(qiáng)柱弱梁”要求滿足最差，較大程度延緩了梁進(jìn)入屈服的進(jìn)程，先期耗能最小。結(jié)論：由于薄鋼板組合截面 PEC 柱在節(jié)點(diǎn)部位連接加強(qiáng)板，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)域范圍混凝土的約束作用，此外采用對(duì)拉螺栓連接，可以將梁受拉翼緣的拉力轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)域的壓力，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)域混凝土壓力帶傳力機(jī)理，充分發(fā)揮了混凝土的抗壓性能，更有利于實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的目標(biāo)；削弱截面方式增設(shè)梁的薄弱面，有利于梁塑性鉸的形成，從而更好滿足抗震的“強(qiáng)柱弱梁”的要求，并充分發(fā)揮削弱部位的塑性耗能能力；連接部位梁柱抗彎剛度匹配對(duì)節(jié)點(diǎn)“強(qiáng)柱弱梁”條件是否滿足起關(guān)鍵作用，也相應(yīng)控制了節(jié)點(diǎn)連接的耗能方式；節(jié)點(diǎn)的破壞模式為鋼梁削弱截面或連接部位附近截面屈服。

來(lái)源出版物：工程力學(xué), 2013, 30(6): 107-115

入選年份：2017