大型雙槽渡槽結(jié)構(gòu)地震易損性分析

錢(qián)玉林 徐一鳴 張春宇 徐建國(guó) 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?jiǎn)卧獎(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(guò)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(guò)對(duì)槽墩與支座開(kāi)展損傷超越概率分析計(jì)算，說(shuō)明滿槽情況下各構(gòu)件損傷超越概率增長(zhǎng)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(lèi)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(qián)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(guò)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(guò)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(guó)內(nèi)外關(guān)于大型渡槽這類(lèi)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(guò)對(duì)典型鋼筋混凝土橋梁進(jìn)行地震易損性分析來(lái)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(cè)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(guò)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(guó)常見(jiàn)的鐵路簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行了三維地震易損性分析，評(píng)估了該類(lèi)橋梁在近地場(chǎng)地震作用下的抗震性能。通過(guò)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(guò)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(jiàn)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?jiǎn)卧蚰軌蜉^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?jiǎn)卧Ｐ湍M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(jiàn)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(guò)對(duì)零長(zhǎng)度彈簧單元每個(gè)方向賦予不同的剛度來(lái)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(guò)帶初始間隙的雙線性接觸單元來(lái)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(kù)中的ＣｏｎｃｒｅｔｅＤ 本構(gòu)模型，它是基于我國(guó)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(jiǎn)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(jiàn)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(shuō)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(guò)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(guò)對(duì)比槽墩和支座的地震易損性曲線，說(shuō)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(guò)耗能支座的率先損傷來(lái)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?jiǎn)卧突炷翐p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小；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】