混凝土空心板梁橋地震易損性研究

吳建臻

摘? ?要： 以福州市部分橋梁的抗震安全性評估為基礎(chǔ)，對混凝土空心板梁橋的抗震薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行易損性研究。針對混凝土空心板梁橋的技術(shù)參數(shù)、性能指標(biāo)，構(gòu)建有限元模型，采用增量動(dòng)力分析（IDA）方法對橋梁結(jié)構(gòu)易損性曲線的形成過程進(jìn)行探討;對各級(jí)損傷狀態(tài)下橋墩墩柱、蓋梁支座、橋臺(tái)支座的易損性曲線進(jìn)行對比分析;探究各構(gòu)件在地震作用下的損傷規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：地震狀態(tài)下，當(dāng)橋墩墩柱的高度較低、箍筋配筋率較小、墩柱的延性能力較差時(shí)，橋墩墩柱是橋梁結(jié)構(gòu)最易損傷的部位;由于橋臺(tái)的延性比橋墩小得多，因此橋墩墩柱和蓋梁支座共同承擔(dān)了地震力，橋墩的變形消耗了一部分能量，故橋臺(tái)支座比蓋梁支座更容易受到破壞。

關(guān)鍵詞： 混凝土空心板梁橋;地震易損性;抗震安全性評估;易損性曲線;增量動(dòng)力分析（IDA）

引言

橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力是衡量交通系統(tǒng)抗震水平的重要指標(biāo)之一。由于地震具有不可預(yù)知性，因此應(yīng)用新的抗震理論不斷提高工程結(jié)構(gòu)抗震能力是目前唯一的辦法。與房屋建筑等不同，橋梁震害直接造成的人員傷亡并不多，但是交通系統(tǒng)癱瘓?jiān)斐傻慕?jīng)濟(jì)損失卻不可估量，而且交通系統(tǒng)中斷對災(zāi)后重建、人力傷害以及生產(chǎn)生活保障也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。所以，對現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震易損性評估，成為迫切需要[1]。

目前，國內(nèi)外為了評估橋梁結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的損傷水平，通常采用兩種方法：一種是通過計(jì)算結(jié)構(gòu)的易損性指數(shù)來判別;另一種則是通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的易損性曲線來判別。通過對易損性指數(shù)計(jì)算來判斷結(jié)構(gòu)受到地震破壞程度的方法有很多，我國大多數(shù)城市橋梁系統(tǒng)的抗震易損性指數(shù)及曲線采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法，通過對大量歷史震害資料的回歸分析，得到擬合公式和各影響因素的統(tǒng)計(jì)值及預(yù)測建議值，進(jìn)而運(yùn)用它們進(jìn)行震害評估[2]。該方法方便有效，但由于缺乏具體的地震破壞數(shù)據(jù)，因此近些年國內(nèi)外學(xué)者對易損性曲線進(jìn)行了更加廣泛和系統(tǒng)的研究。Mackie等[3]基于概率需求和破壞模型，提出了一種簡化的預(yù)測震后殘余承載能力的預(yù)測方法。Gardoni等[4]基于Bayesian理論框架，建立了獨(dú)柱式鋼筋混凝土橋梁的概率性地震需求模型，建立了混凝土橋墩及橋梁系統(tǒng)的易損性模型。Karim等[5]將橋墩簡化為單自由度動(dòng)力系統(tǒng)，用Park-Ang指標(biāo)判別損傷狀態(tài)，分析了不同地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)對橋墩墩柱易損性曲線的影響。Choi等[6]對某種橋梁進(jìn)行單個(gè)構(gòu)件的易損性分析，然后基于一階可靠度理論生成整個(gè)橋梁的易損性曲線。劉驍驍?shù)萚7]綜合考慮橋梁不同構(gòu)件損傷對系統(tǒng)易損性的影響，提出了橋梁體系多維概率地震需求分析方法。

綜上所述，盡管分析易損性指數(shù)，并建立易損性曲線的方法各有差異，但可以發(fā)現(xiàn)，理論易損性曲線的形成，必須建立在對橋梁結(jié)構(gòu)地震動(dòng)性能進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上。顯然，對于缺乏地震破壞數(shù)據(jù)且不易進(jìn)行地震模擬實(shí)驗(yàn)的橋梁結(jié)構(gòu)，通過動(dòng)力反應(yīng)分析形成理論易損性曲線是唯一可行的方法。本文以福州市為例，在對部分橋梁進(jìn)行抗震安全性評估的基礎(chǔ)上，針對城市橋梁中的抗震薄弱環(huán)節(jié)——混凝土空心板梁橋進(jìn)行地震易損性分析，形成橋梁結(jié)構(gòu)的易損性曲線，以期把握橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷規(guī)律，為該類橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和抗震加固提供新的思路與建議。

1? 福州市既有橋梁抗震安全性評估

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在城市橋梁中，梁式橋分部最廣，數(shù)量也最多，而且根據(jù)以往的震害經(jīng)驗(yàn)也可以知道，地震來臨時(shí)，相較其他類型的橋梁，梁式橋受到的破壞普遍嚴(yán)重得多。本文抽樣選取了福州市區(qū)各主干道、次干道以及支路上的25座混凝梁式橋作為分析樣本，其中，板梁橋13座，T梁橋4座，箱梁橋8座;選取了場地（含類別、液化條件、場地均勻性、抗液化措施4個(gè)因素）、結(jié)構(gòu)（含上部結(jié)構(gòu)、支座、橋墩、基礎(chǔ)4個(gè)項(xiàng)目10個(gè)因素）、地震動(dòng)（以烈度表示）、抗震設(shè)防（含設(shè)防烈度、設(shè)計(jì)規(guī)范、防落梁措施3個(gè)因素）共4大類18個(gè)因素作為橋梁抗震安全性評估考慮的因素，進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)。最后，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法對樣本橋梁的震害結(jié)果進(jìn)行預(yù)測[8]。

從抗震安全性評估結(jié)果來看，在地震作用下，福州市區(qū)內(nèi)的混凝土梁式橋都會(huì)或多或少地產(chǎn)生一定程度的損傷，橋梁的抗震能力有待加強(qiáng)和提高。特別一些建設(shè)年代比較久遠(yuǎn)以及所處地質(zhì)條件比較差的混凝土空心板梁橋，是城市橋梁中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，宜結(jié)合路線改造等及時(shí)進(jìn)行抗震加固。

2? 研究方法與結(jié)果討論

2.1? 基準(zhǔn)橋有限元模型的建立

本文以福州市某座典型混凝土空心板梁橋?yàn)楸尘?，選用非線性結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000建立分析橋梁的三維空間有限元模型，而后進(jìn)行地震易損性分析。橋梁線型為直線，全長60 m，上部結(jié)構(gòu)為3 m×20 m預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力簡支空心板梁橋（每孔22片梁），主梁材料采用C40混凝土;全橋支座型號(hào)均采用D250，厚度為42 mm的圓板式橡膠支座;橋墩為五墩式排架墩，橋臺(tái)為鋼筋砼肋板式橋臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，圓形截面，樁徑1.5 m，采用C25水下混凝土。基準(zhǔn)橋有限元模型如圖1所示。

在基準(zhǔn)橋模型中，主梁采用彈性框架梁單元來模擬;帽梁同樣采用彈性框架梁單元來模擬，但是由于橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗彎剛度可以有效地加強(qiáng)帽梁的抗扭剛度，因此一般用帽梁截面的抗扭常數(shù)J乘以修正系數(shù)C，C可取100;板式橡膠支座用線性彈簧單元模擬;橋墩墩柱采用鋼筋混凝土彈塑性空間梁柱單元模擬，又因?yàn)闃蚨斩罩姆蔷€性和滯回性能集中在塑性鉸的區(qū)域，所以本文采用纖維PMM鉸來模擬墩柱的塑性鉸區(qū)域;最后采用3D嵌固模型[9]來模擬樁土之間的相互作用。

2.2? 損傷指標(biāo)量化

2.2.1? 墩柱損傷指標(biāo)

本文采用截面分析專用程序Ucfyber對墩柱截面進(jìn)行行彎矩—曲率分析，分析得到墩柱塑性鉸截面的曲線。然后，再對截面進(jìn)行水平力—位移（）分析，匯總得到橋墩墩柱彎曲破壞的損傷指標(biāo)，如表1所示。

2.2.2? 支座損傷指標(biāo)

本文均采用板式橡膠支座，支座型號(hào)均為D250，厚度為42 mm的圓板式橡膠支座，其橡膠層總厚度為0.03 m。根據(jù)板式橡膠支座的破壞準(zhǔn)則可得

本文以容許剪切變形為極限狀態(tài)的參數(shù)，三種破壞狀態(tài)對應(yīng)的容許剪切應(yīng)變分別為100%、150%、250%。那么，板式橡膠支座損傷指標(biāo) 如表2所示。

2.3? 易損性曲線的建立與討論

本文采用增量動(dòng)力分析（IDA）方法[10]，在PEER強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫中選取15條Ⅱ類場地的震動(dòng)記錄，將這15條地震波的峰值加速度PGA均標(biāo)準(zhǔn)化到0.2g ～1.2g，每0.2g為一個(gè)水平，總共得到90條地震波。然后將這90條地震波沿順橋向輸入給橋梁模型，對每條地震波作用下的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間非線性動(dòng)力時(shí)程分析。

2.3.1? 各易損構(gòu)件在各級(jí)損傷狀態(tài)下的易損性曲線

在易損性分析過程中，選取空心板梁橋的橋墩墩柱、蓋梁支座以及橋臺(tái)支座為易損構(gòu)件，分別對三者進(jìn)行易損性分析，形成三者在各級(jí)破壞狀態(tài)下的易損性曲線。所以，對于每個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)—地震動(dòng)樣本，提取橋梁結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的墩頂墩底最大相對位移、蓋梁支座最大相對位移以及橋臺(tái)支座最大相對位移。然后計(jì)算各構(gòu)件在不同損傷狀態(tài)下的需求能力比，建立需求能力比與地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)PGA之間的對數(shù)關(guān)系。最后對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性回歸分析，可以得到：

其中，為結(jié)構(gòu)能力參數(shù)，即各種破壞狀態(tài)的所對應(yīng)的位移延性指標(biāo)。參照HAZUS99建筑震害預(yù)測方法，當(dāng)以PGA為自變量時(shí)，取0.5。所以根據(jù)式（5），可以得到各結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同損傷狀態(tài)下的超越概率，然后以地震峰值加速度PGA為橫坐標(biāo)，以各種損傷狀態(tài)對應(yīng)的超越概率為縱坐標(biāo)，用 Origin軟件擬合出各結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各級(jí)損傷狀態(tài)下的易損性曲線。如圖2所示。

2.3.2? 各級(jí)損傷狀態(tài)下各易損構(gòu)件的易損性比較

為了把握全橋在地震作用下最易損傷的部位，現(xiàn)在將支座的易損性和橋墩墩柱的易損性進(jìn)行對比。由于在確定墩柱損傷指標(biāo)時(shí)定義了5種損傷狀態(tài)，而對于板式橡膠支座，本文只定義了4種損傷狀態(tài)，所以，為了方便后文的分析，現(xiàn)在對墩柱的各損傷狀態(tài)分別降低一個(gè)等級(jí)，再與支座相比較，如圖3所示。

由圖3可以看出，本例中，橋墩是全橋中最易發(fā)生損傷的部位，這是由于本例橋梁結(jié)構(gòu)中橋墩墩柱的高度較低，箍筋配筋率也較小，墩柱的延性較差，因此在地震作用下，墩柱比其他構(gòu)件更容易發(fā)生損傷。從圖3中還可以看出，橋臺(tái)支座的易損性始終大于蓋梁支座的易損性，這是由于在地震作用下，橋墩墩柱和蓋梁支座共同承擔(dān)了地震力，橋墩的變形消耗了一部分能量，所以蓋梁支座的相對位移就相應(yīng)地減小了;而對于橋臺(tái)支座來說，我們在建模時(shí)假定橋臺(tái)為完全剛性，導(dǎo)致了橋臺(tái)支座相對位移較大。所以在不同強(qiáng)度的地震作用下，由于橋臺(tái)的延性要比橋墩小得多，因此橋臺(tái)支座要比蓋梁支座更容易受到破壞。

3? 結(jié)論與討論

本文在對福州市部分橋梁進(jìn)行抗震安全性評估的基礎(chǔ)上，對混凝土空心板梁橋進(jìn)行了地震易損性分析，主要認(rèn)識(shí)如下：

（1）總體上看，福州市內(nèi)的混凝土梁式橋在地震作用下都會(huì)或多或少地產(chǎn)生一定程度的損傷，橋梁的抗震能力有待加強(qiáng)和提高。特別地，一些建設(shè)年代比較久遠(yuǎn)以及地質(zhì)條件較差的混凝土空心板梁橋，是橋梁中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，建議結(jié)合路線改造等方案及時(shí)進(jìn)行抗震加固。

（2）當(dāng)橋墩墩柱的高度較低、箍筋配筋率較小、墩柱的延性能力較差時(shí)，在地震作用下，墩柱比其他構(gòu)件更容易發(fā)生損傷。所以建議在設(shè)計(jì)時(shí)加大橋墩箍筋配筋率，增大墩柱的抗剪能力，而在對既有混凝土空心板梁橋進(jìn)行抗震加固時(shí)，橋墩墩柱的加固應(yīng)當(dāng)放在首位。

（3）由于橋臺(tái)的延性要比橋墩小得多，因此在地震作用下，橋墩墩柱和蓋梁支座共同承擔(dān)了地震力，橋墩的變形消耗了一部分能量，所以橋臺(tái)支座要比蓋梁支座更容易破壞。所以建議對混凝土空心板梁橋的橋臺(tái)支座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)橋臺(tái)支座的抗震能力。

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