大型雙槽渡槽結(jié)構(gòu)地震易損性分析

錢玉林 徐一鳴 張春宇 徐建國 張金鵬 劉雪敏

摘 要：為評(píng)估大型鋼筋混凝土渡槽結(jié)構(gòu)的抗震性能，以南水北調(diào)中線工程某三跨雙槽渡槽為例，基于ＯｐｅｎＳｅｅｓ 平臺(tái)中的纖維梁單元?jiǎng)?chuàng)建渡槽有限元模型，同時(shí)考慮槽內(nèi)水位條件的不同以及地震波的隨機(jī)性，通過增量動(dòng)力法進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析，獲得各易損構(gòu)件的地震響應(yīng)峰值；采用傳統(tǒng)概率地震需求分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，進(jìn)而得到渡槽結(jié)構(gòu)槽墩和支座的地震易損性曲線。研究結(jié)果表明：槽內(nèi)水位變化對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有較大影響，通過對(duì)槽墩與支座開展損傷超越概率分析計(jì)算，說明滿槽情況下各構(gòu)件損傷超越概率增長速率最快。

關(guān)鍵詞：雙槽渡槽；地震響應(yīng)；地震易損性分析；抗震性能

中圖分類號(hào)： ＴＶ６７２．３；ＴＶ３１２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２７

引用格式：錢玉林，徐一鳴，張春宇，等．大型雙槽渡槽結(jié)構(gòu)地震易損性分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１４７－１５１．

大型渡槽工程作為生命線工程，具有排澇、導(dǎo)流和跨流域調(diào)水等多種功能，然而不少重要的調(diào)水工程都經(jīng)過地震高烈度地區(qū)，在劇烈地震動(dòng)作用下，渡槽結(jié)構(gòu)在調(diào)水過程中易發(fā)生損傷和破壞，導(dǎo)致輸水中斷，對(duì)周邊地區(qū)造成嚴(yán)重威脅，因此研究大型渡槽結(jié)構(gòu)的抗震性能具有重要意義［１－３］ 。目前國內(nèi)外關(guān)于大型渡槽這類在跨度與寬度上相差懸殊的水工建筑物的地震易損性研究相對(duì)較少，由于渡槽與橋梁具有相似的結(jié)構(gòu)特性，因此本文借鑒橋梁結(jié)構(gòu)的易損性分析方法對(duì)渡槽的抗震性能進(jìn)行研究。Ｒｏｙ 等［４］ 基于傳統(tǒng)Ｐａｒｋ－Ａｎｇ損傷指標(biāo)，提出一種適用于雙向地震動(dòng)抗震分析的損傷指標(biāo)，通過對(duì)典型鋼筋混凝土橋梁進(jìn)行地震易損性分析來量化橋墩在雙向地震作用下的損傷情況。

Ｋａｒｉｍ 等［５］ 建立日本某典型公路橋梁有限元模型并進(jìn)行地震易損性分析，將得到的理論易損性曲線和基于實(shí)測震害數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)易損性曲線進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證了此分析方法的適用性。李立峰等［６］ 通過地震易損性分析方法研究了氯離子侵蝕對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋全壽命周期的抗震性能的影響。吳姍姍等［７］ 基于傳統(tǒng)可靠度理論對(duì)我國常見的鐵路簡支梁橋進(jìn)行了三維地震易損性分析，評(píng)估了該類橋梁在近地場地震作用下的抗震性能。通過借鑒現(xiàn)有研究成果，本文以某三跨雙槽渡槽為研究對(duì)象，通過ＯｐｅｎＳｅｅｓ 平臺(tái)建立該渡槽的有限元模型，基于增量動(dòng)力法對(duì)渡槽進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析，得到渡槽結(jié)構(gòu)各易損構(gòu)件的地震易損性曲線，最后對(duì)比分析了不同水位條件對(duì)渡槽抗震性能的影響。

１ 渡槽概況與有限元模型

１．１ 渡槽概況

本文以南水北調(diào)中線工程的老張莊雙槽渡槽為例，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土矩形雙槽結(jié)構(gòu)，槽身采用Ｃ５０ 混凝土，底寬５．００ ｍ、槽深４．２５ ｍ，１００ ａ 一遇設(shè)計(jì)流量為６４ ｍ３ ／ ｓ，設(shè)計(jì)水深為２．２１ ｍ。下部為單排架圓形槽墩，采用Ｃ３０ 混凝土澆筑，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，支架為單排三立柱結(jié)構(gòu)，高１０．４０ ｍ、直徑１．２ ｍ，每個(gè)槽墩設(shè)置縱向鋼筋１０Φ１６，箍筋Φ８＠ ２００，保護(hù)層厚度為０．０６ ｍ，設(shè)蓋梁和聯(lián)系梁，設(shè)計(jì)混凝土密度為２ ５００ ｋｇ／ｍ３，泊松比為０．２。支座采用板式橡膠支座。渡槽立面結(jié)構(gòu)和橫截面示意見圖１、圖２。

１．２ 有限元模型

１．２．１ 模型構(gòu)建

本文采用ＯｐｅｎＳｅｅｓ 有限元程序建立雙槽渡槽有限元模型，單元數(shù)為１３８、節(jié)點(diǎn)數(shù)為１３９，如圖３ 所示。纖維梁單元因能夠較好地表現(xiàn)和模擬鋼筋混凝土構(gòu)件的材料軟化、剛度退化等損傷效應(yīng)及軸力、彎矩的耦合效應(yīng)且計(jì)算工作量較小而被廣泛使用［８］ 。本文采用纖維梁單元模型模擬鋼筋混凝土渡槽結(jié)構(gòu)中槽墩、蓋梁、槽體、聯(lián)系梁構(gòu)件，見圖４。采用附加質(zhì)量法將水體固結(jié)于槽身［９］ ，槽墩底部采用固定約束，不考慮樁基和土體對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)的作用。通過對(duì)零長度彈簧單元每個(gè)方向賦予不同的剛度來模擬板式橡膠支座，其恢復(fù)力模型如圖５ 所示，其中屈服力Ｆｙ 和屈服位移ｄｙ分別為１．０９×１０７ Ｎ 和１４０ ｍｍ。相鄰槽身之間的伸縮縫通過帶初始間隙的雙線性接觸單元來模擬，在每個(gè)伸縮縫中使用３ 個(gè)接觸單元模擬槽身之間的碰撞，其恢復(fù)力模型如圖６ 所示，其中初始間隙Ｇａｐ和彈性模量Ｅ 分別為４０ ｍｍ 和６．１×１０６ Ｐａ。

１．２．２ 本構(gòu)關(guān)系

渡槽結(jié)構(gòu)的混凝土選用ＯｐｅｎＳｅｅｓ 材料庫中的ＣｏｎｃｒｅｔｅＤ 本構(gòu)模型，它是基于我國混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范建立的混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型［１０］ ，如圖７ 所示，其中ｆｃ和ｆｔ分別為混凝土單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度，εｃ 和εｔ 分別為混凝土峰值壓應(yīng)變和峰值拉應(yīng)變。該本構(gòu)模型可以將混凝土材料的非線性與隨機(jī)性耦合到統(tǒng)一的體系中，綜合反映混凝土的非線性與隨機(jī)性。渡槽結(jié)構(gòu)的鋼筋采用Ｓｔｅｅｌ０２ 鋼筋本構(gòu)模型，該本構(gòu)模型是在Ｇｉｕｆｆｒｅ－Ｍｅｎｅｇｏｔｔｏ－Ｐｉｎｔｏ 鋼筋本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到的雙折線模型，它可以同時(shí)考慮雙向Ｂａｕｓｃｈ?ｉｎｇｅｒ 效應(yīng)和等向強(qiáng)化效應(yīng)，如圖８ 所示，其中σｙ 和εｙ分別為鋼筋的屈服強(qiáng)度和屈服應(yīng)變，Ｅ１ 和Ｅ２ 分別為鋼筋的初始屈服模量和屈服后的彈性模量。

３．３．１ 槽墩地震易損性分析

由于本文的渡槽結(jié)構(gòu)為多跨簡支結(jié)構(gòu)，各槽墩具有相似的地震響應(yīng)，因此以某一跨槽墩為例研究其地震易損性，槽墩易損性曲線見圖１１（ＰＧＡ 為地震動(dòng)峰值加速度）。

由圖１１ 可知：空槽、半槽、設(shè)計(jì)水位、滿槽條件槽墩具有相似的地震易損性曲線，其損傷超越概率隨著地震峰值加速度的增大而增大、隨著損傷狀態(tài)的加重有所減小，且不同損傷破壞狀態(tài)對(duì)應(yīng)的槽墩損傷超越概率差異顯著。當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度（ＰＧＡ）為０．３ｇ（抗震烈度為８ 度）時(shí)，相比于空槽狀態(tài)的各損傷超越概率，半槽時(shí)槽墩的４ 種損傷超越概率分別提高了６．１０％、１．５３％、０．５９％、０．０３％，設(shè)計(jì)水位時(shí)槽墩的４ 種損傷超越概率分別提高了１７．５２％、６．０１％、１．８７％、０．０５％，水位條件為滿槽時(shí)槽墩的４ 種損傷超越概率分別提高了６０．２７％、１０．２１％、３．９５％、０．７８％。這表明渡槽結(jié)構(gòu)中水體的多少對(duì)槽墩的地震響應(yīng)產(chǎn)生了較大的影響，且水位條件不同對(duì)損傷破壞狀態(tài)的影響程度不同，隨著渡槽中水位逐漸上升，在各種損傷狀態(tài)下槽墩超越概率逐漸增大，且輕微損傷狀態(tài)的超越概率提升最顯著，中等損傷的超越概率提升次之，說明水位上升引起渡槽上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量變大，地震動(dòng)引起慣性力增大進(jìn)而產(chǎn)生更大的地震損傷。

３．３．２ 支座地震易損性分析

通過繪制不同水位條件下支座的地震易損性曲線，研究水位條件的改變對(duì)支座地震易損性的影響，支座的地震易損性曲線如圖１２ 所示。

通過對(duì)比槽墩和支座的地震易損性曲線，說明兩者的地震易損性曲線具有同樣的變化規(guī)律，槽內(nèi)水位的上升使得支座在４ 種破壞狀態(tài)下的損傷超越概率都有所增大。當(dāng)ＰＧＡ 為０．３ｇ（抗震烈度為８ 度）時(shí)，支座構(gòu)件各個(gè)工況的損傷超越概率均比槽墩構(gòu)件的大，這表明渡槽結(jié)構(gòu)通過耗能支座的率先損傷來減緩槽墩的破壞，符合渡槽結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求。

４ 結(jié)論

１）本文基于精細(xì)化纖維梁單元和混凝土損傷本構(gòu)模型建立了大型雙槽渡槽結(jié)構(gòu)有限元分析模型，并基于位移延性比理論對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震易損性分析，可較準(zhǔn)確得到渡槽在不同損傷狀態(tài)下的損傷超越概率。

２）各水位條件下槽墩具有相似的地震易損性曲線，其損傷超越概率隨著地震峰值加速度的增大而增大、隨著損傷程度的提高有所減小，且不同損傷破壞狀態(tài)對(duì)應(yīng)的槽墩損傷超越概率差異顯著。

３）渡槽結(jié)構(gòu)中水體的多少對(duì)槽墩的地震響應(yīng)產(chǎn)生了較大影響，且不同水位條件對(duì)不同損傷破壞狀態(tài)的影響程度不同，隨著損傷程度的不斷提高，水位條件變化的影響逐漸減??；隨著渡槽結(jié)構(gòu)中水位逐漸上升，槽墩在各個(gè)損傷狀態(tài)下的超越概率逐漸增大，且輕微損傷狀態(tài)的超越概率提升最為顯著，中等損傷超越概率的提升次之。

４）計(jì)算表明該大型雙槽渡槽結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震能力，滿足８ 度地震基本烈度地區(qū)的抗震設(shè)防要求。同等地震強(qiáng)度條件下，支座比槽墩更易發(fā)生損傷，這表明支座構(gòu)件先于槽墩發(fā)生破壞，滿足渡槽結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求。

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【責(zé)任編輯 張華巖】