地震作用下超高墩剛構橋倒塌易損性分析

范振華 張謝東 張 行

（武漢理工大學交通學院1） 武漢 430063） （內蒙古交通設計研究院有限責任公司2） 呼和浩特 010010）

0 引 言

橋梁結構在強震下倒塌破壞是造成生命財產損失的主要原因.因此保證強震作用下結構的抗倒塌能力一直是基于性能的地震工程的核心目標.強震作用下結構的倒塌破壞機制和抗倒塌能力受地震動參數和結構形式的影響，目前評價強震作用下結構抗倒塌能力最合理的方法是基于彈塑性時程分析的倒塌易損性分析方法［1］.

國內外很多專家在橋梁地震易損性研究上開展了大量卓有成效的工作.Bryant G.Nielson［2］對 CSUS（Central and Southeastern United States）地區9類常見橋梁采用分析方法建立了易損性曲線.Swagata Banerjee［3］以橋墩的轉動延性定義了損傷狀態，對鋼筋混凝土橋梁的概率、統計和力學易損性模型進行了綜合研究.Howard Hwang等［4］將能力與需求之比作為損傷指標，通過易損性曲線對孟菲斯幾類橋梁結構在地震作用下的損傷狀況進行了評價.Jamie E.Padgett等［5］研究了加固改造后四類常見多跨橋梁的地震易損性，評價了加固改造方法對概率地震需求模型、結構構件和系統能力的影響.Y.Pan等［6］研究了結構參數不確定性對紐約州典型多跨簡支鋼梁橋（MSSS）地震易損性的影響.Ian Thomas Sullivan［7］研究了CSUS地區斜交橋的斜交角對地震易損性的影響.Joonam Park等［8］研究了韓國典型鐵路鋼板梁橋的地震易損性.Bayram Aygün等［9］研究了多跨連續鋼橋考慮土體破壞對橋－土－基礎耦合體系（CBSF）地震易損性的影響.張菊輝［10］以位移延性比作為損傷指標研究了規則梁橋墩柱的地震易損性，馮杰［11］以位移延性比作為墩柱損傷指標，研究了某連續箱梁橋的地震易損性.

近年來我國墩高超過100m的超高墩剛構橋發展迅速，是當前橋梁工程的重要前沿.目前有關超高墩剛構橋的倒塌易損性分析成為亟待解決的重要課題，本文根據高聳結構在地震作用下倒塌機理提出了超高墩剛構橋結構倒塌破壞的判別準則和倒塌易損性分析方法，并結合工程實例研究了結構劣化對其倒塌易損性的影響.

1 超高墩剛構橋倒塌易損性分析方法

1.1 本文提出的超高墩剛構橋倒塌判別準則

倒塌易損性分析的關鍵在于建立合理的倒塌判別準則.

近年來，國內外學者對高聳結構的地震需求進行了一些有益研究［12］，焦馳宇［13］以截面曲率作為損傷指標研究了斜拉橋主塔在不同地震強度水平下四種損傷超越概率沿塔高的分布規律和地震易損性規律.張凱等［14］以截面轉角作為損傷指標建立了某高墩大跨連續剛構橋的易損性曲線，并進行了地震風險分析.鄭成龍等［15］以塑性鉸的曲率延性作為損傷指標，研究了北盤江斜腿剛構橋的地震易損性.應變指標屬于材料層面的物理量，能直觀描述高墩進入彈塑性階段時的損傷狀態，谷音等［16］采用應變作為墩柱損傷指標，對一墩高為60m的高墩大跨徑剛構橋進行了縱橋向和橫橋向的地震易損性分析.

然而由于問題的復雜性，目前仍沒有廣泛認可的高墩高塔結構的損傷破壞準則.高墩高塔結構在某些地震激勵下高階振型引起的地震反應顯著，因而可能出現多個塑性鉸［17］，有可能在墩身中部達到極限狀態而導致結構倒塌［18］，結構倒塌時可能由高階振型控制，不一定產生顯著的側移.

結構的倒塌模式通常分為豎向倒塌和側向倒塌兩種.豎向倒塌主要是由于結構中承重構件喪失承載力退出工作，而引起結構連續倒塌；側向倒塌主要是由于結構的側向塑性變形過大，導致抗側強度或剛度發生較大退化而引起的側向承載力喪失.實際的震害統計表明結構在地震作用下發生倒塌破壞的第一階段是側向倒塌，隨后即進入豎向倒塌過程.研究表明高聳結構倒塌時可能由高階振型控制，不一定產生顯著的側移.根據結構倒塌破壞的這一機理，可以認為當結構的豎向位移大幅增加而不再回到平衡位置時結構發生了倒塌破壞.對于超高墩剛構橋，墩頂節點的豎向位移能反映結構承受豎向荷載的能力，在全橋的豎向位移中通常是最大的，因此本文將最高墩右肢墩頂節點的豎向位移選為特征響應.據此提出本文的倒塌判別準則為：當結構的豎向位移劇增不再回到平衡位置時即認為發生了倒塌破壞.

1.2 倒塌易損性分析方法

結構抗地震倒塌易損性是指在未來可能遭遇的不同強度地震下發生倒塌的概率.按照如下步驟進行.

1）建立考慮非線性特性的結構模型.

2）按照結構所在的場地類別選取若干地震動記錄（記為Ntotal），并選擇合適的地震 動強度指標IM（intensity measure）對所選地震記錄進行歸一化處理.

3）在某一地震動強度下，對結構輸入上述地震記錄進行非線性性動力時程分析，根據所提出的倒塌判斷準則判斷結構是否發生倒塌破壞，記下結構發生倒塌的地震動數（記為Ncollapse），從而得到該地震動強度下結構的倒塌概率（Ncollapse／Ntotal）.

4）單調增加地震動強度IM，重復上一步驟，得到結構在不同地震動強度輸入下的倒塌概率，用公式表示為

與地震的隨機性相比，結構自身的離散性較小，結構地震倒塌易損性主要取決于不同地震動的頻譜特性，因此，本文分析中暫未考慮結構的隨機性，倒塌易損性分析流程見圖1.

基于增量動力分析的結構抗地震倒塌能力易損性分析需要輸入大量地震記錄，以反映地震動的隨機特性的影響.本文以實際地震動記錄作為地震輸入.按美國ATC－63報告［19］建議選取了23條地震記錄用于分析，其放大系數見圖2.

圖2 地震記錄放大系數

地震記錄調幅選用較為常用的比例調整法，即對選用的地震波加速度峰值按比例進行放大或縮小.該方法不改變地震記錄的頻譜特性，僅調整地震記錄的加速度峰值PGA.本文以PGA作為地震動輸入的強度指標，每條地震記錄的峰值加速度按比例調整從0.05 g到0.9 g，有效峰值加速度（PGA）的調幅為0.05 g等間距遞增，直至結構倒塌.

2 算例分析

某預應力鋼筋混凝土高墩大跨徑連續剛構橋，主梁采用106m＋3×200m＋106m懸臂澆筑連續變截面箱梁，橋墩處梁高12m，為70cm厚箱形薄壁空心雙支墩.橋型布置見圖3.最高墩178m，其中178m墩、170m墩和116m墩沿墩頂往下每60m設有系梁.

圖3 橋梁結構布置圖（單位：m）

經過計算，得到23條地震記錄作用下的結構墩頂位移IDA曲線，見圖4.可見由于不同地震記錄的頻譜特性不同，結構響應差別很大23條地震記錄的計算結果中，最低倒塌極限承載力為0.2 g，最高為0.9 g，相差四倍多.結構倒塌易損性曲線見圖5.

圖4 原結構IDA曲線

圖5 原結構倒塌易損性曲線

隨著周圍環境的作用和使用年限的增加，橋梁結構在服役過程中不可避免的存在不同程度的損傷或者結構性能劣化，諸如鋼筋銹蝕、混凝土順筋脹裂、保護層剝落破壞等現象.這些劣化會導致橋梁結構的能力和剛度的退化，一旦發生地震，可能會使得現有的能力無法保證結構在預期的壽命期內完成其抗震功能.目而目前有關在役橋梁結構的抗震性能研究，大多都未考慮結構在已服役期間結構劣化，其實質是擬建結構的抗震性能評估.本文考慮了如下4種劣化情況對結構倒塌易損性的影響：（1）混凝土保護層剝落；（2）縱向鋼筋強度降低10%；（3）縱向鋼筋截面減少10%；（4）縱向鋼筋強度降低10%，同時截面減少10%.計算結果見圖6.

圖6 結構劣化對倒塌易損性的影響

由圖6可見，劣化對結構倒塌易損性影響較大，如0.4g的地震作用下原結構的倒塌概率為32%，而考慮縱向鋼筋的強度和截面同時減少10%后，倒塌概率增大為45%，相比原結構，倒塌的風險增大了41%.鋼筋截面減少相比強度降低的影響要大.四種劣化情況，混凝土剝落對結構倒塌易損性影響最小，同時考慮鋼筋強度和截面減少的情況影響最大.

3 結束語

倒塌易損性曲線從概率的角度描述了橋梁倒塌破壞概率與地震動強度參數之間的關系，本文提出了超高墩剛構橋的倒塌判別準則，并研究了劣化對超高墩剛構橋倒塌易損性的影響，主要研究了縱向鋼筋截面面積減少、縱向鋼筋強度減少以及混凝土剝落對超高墩剛構橋倒塌易損性的影響.研究表明，地震動強度越大，結構發生倒塌的概率越大，且劣化對結構倒塌易損性影響較大.

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