某地區橋梁基于IDA的抗震性能分析

摘要：本文選擇了三座連續梁高架橋為研究背景，并采用國內外有關橋梁抗震性能研究的成果以及相關橋梁抗震理論與方法并運用MIDAS/CIVIL軟件進行建模，對這三座連續梁橋抗震性能以及抗震倒塌性能進行研究和分析，分析6度設防橋梁在7度設防條件下存在的抗震問題，通過選出10條地震波，并運用IDA將其調幅至150條后加到結構上去，計算出柱體漂移率，并將其與現有的柱體漂移率值進行對比，保證結構的柱體漂移率在準確的范圍內，之后計算出墩頂最大位移值并與容許位移進行比較。

關鍵詞：橋梁抗震;設防烈度;地震波;IDA

前言

根據2016年新版《中國地震動參數區劃圖》，某地區抗震設防等級從6度提高到了7度，但在地震參數區劃圖調整之前，該地區進行了大量的交通工程建設，建設了大量的高架橋，已經成為了城市最重要的交通通道，這部分的橋梁在新的抗震條件下，橋梁結構的抗震性能及存在的問題需要進行深入研究。

1三座連續梁橋建模

本文使用有限元軟件MIDAS/Civil?進行分析計算。分別對實際某地區的三座連續梁橋進行模擬分析，主梁、支座、橋墩以及基礎是模型中主要模擬的對象，由于上部結構的質量、支座處的邊界條件、下部結構的質量與剛度、地基與橋墩的邊界條件，以及樁土效應得模擬都對其動力特性有很大的影響，所以本文在模擬時如實地反映了結構地剛度與質量分布，以及邊界條件。

7度區不僅要驗算E1地震作用下橋梁結構的地震反應，還要驗算在E2地震作用下，驗算塑性鉸區域的塑性轉動能力，對于規則橋梁，還可以進一步簡化為墩頂或墩底的位移能力的驗算，計算出墩頂或墩底的位移數值后，將其與容許位移進行對比，得出結論。容許位移計算公式如下所示：

對于單柱墩：

2三座橋梁基于IDA的抗震性能分析

2.1增量動力分析法（IDA）

對結構動力分析采用增量動力分析法時，有以下主要步驟：

（1）首先建立結構有限元模型，建立的模型需表現出結構主要動力特性;

（2）地震波是具有隨機性的，如果只選擇了單條地震波的話，在進行IDA分析后，無法得到結構全面、真實的動力響應，因此應篩選出多條地震波來進行IDA分析。選擇的DM（損傷指標）以及IM（強度指標）應有效得降低IDA曲線的離散程度;

（3）選取一條篩選后的地震波，對其進行等步調幅，將其調幅成多條地震波后，再導入進有限元軟件（如Midas），之后將調幅后的地震波作用于結構上進行動力時程分析，接著將IM作為縱坐標，DM作為橫坐標，利用Origin軟件畫出結構的IDA曲線;

（4）對得到的IDA曲線進行分析，曲線上斜率為初始斜率20%的點為結構的倒塌點，在各條地震波的作用下，結構進行IDA分析后得到的倒塌點處的DM和IM的值一般是不同的，因此需要對各組不同數據進行分析，才能得到較為合理的建議值。本文將采用Hunt&Fill[7]準則來對地震波進行調幅，此方法能有效確保增量動力分析法的精度與效率。

（5）分析得到的IDA曲線，當IM很小時，IDA曲線成直線狀態，此時斜率不見，結構處于彈性狀態，計算出此時的斜率為K，隨著IM數值的增大，結構剛度開始退化，IDA曲線的斜率減小，當IDA曲線斜率減少至初始斜率20%的第一個點時，即斜率減少到0.2K時，為結構的倒塌臨界點，此時可以計算出結構倒塌時的IM和DM。

2.2地震波的合理選取

在對橋梁進行動力時程分析時，為了保證結構在地震作用下的地震響應更為真實、可靠，輸入合適的地震波是最基礎且最重要的。本文運用Midas?Building選擇了15條地震波，并篩選出10條地震波進行等步調幅。

2.3三座橋在多個地震波IDA方法的分析結果

通過分析了三座橋在10條地震波作用下的IDA曲線，得到了三座橋梁在各地震波下的譜加速度值、墩頂峰值位移值以及橋墩的柱體漂移率。

A、B、C三座橋在十條地震波作用下生成了共30條IDA曲線，三座橋在各條IDA曲線下倒塌點處的譜加速度值以及對應的峰值位移值各不相同，但據此還不能得到一個統一的結果。

通過研究表明[10]，譜加速度值和柱體漂移率服從正態分布的規律，因此由正態分布的特點可得，25%概率分位值和75%概率分位值代表了數據的離散程度，而50%概率分位值代表了數據的平均水平。表1通過對A、B、C三座橋梁在倒塌時的譜加速度以及對應的柱體漂移率進行統計可以得到這三座橋梁在倒塌時的柱體漂移率與譜加速度的25%概率分位值、50%概率分位值、75概率分位值。

由表1可得，A橋在倒塌點處譜加速度Sa（T1，5%）的50%概率分位值為2.16g，對應的柱體漂移率的50%概率分位值2.65%，B橋在倒塌點處譜加速度Sa（T1，5%）的50%概率分位值為2.13g，對應的柱體漂移率的50%概率分位值2.41%，A橋在倒塌點處譜加速度Sa（T1，5%）的50%概率分位值為2.33g，對應的柱體漂移率的50%概率分位值2.54%，A、B、C三座橋在倒塌點處的譜加速度和柱體漂移率的25%概率分位值以及75%概率分位值和50%概率分位值的離散度均不高，因此此三座橋在50%概率分位值對應的譜加速度以及柱體漂移率可以合理有效的反映出結構在倒塌時的譜加速度以及柱體漂移率的平均水平，因此本文將柱體漂移率為2.65%、2.41%、2.54%分別作為A橋、B橋、C橋的倒塌判定準則的量化指標。

通過對本文的A、B、C三座橋的柱體漂移率與國內和國外研究分析出的建議值進行對比（表2），發現本文研究出的柱體漂移率的值與國內的研究成果相近，而與國外的研究成果相差較大，這是由于國外采用不同的規范以及不同的墩柱形式導致建議值與國內相差較大，但本文與孫穎、陸本燕所研究出的在橋梁倒塌點處的柱體漂移率數值相近，因此本文建議A橋的柱體漂移率為2.65%，B橋的柱體漂移率為2.41%，C橋的柱體漂移率為2.54%，此三個值作為各橋倒塌時的柱體漂移率是合理的。

由表3可得三座橋的峰值位移均大于容許位移，三座橋均不滿足抗震性能要求。

3?結論

首先建立三座連續梁橋模型，按照增量動力分析法的原則以及步驟進行橋梁抗震分析，接著運用地震波篩選原則從15條地震波篩選出符合要求的10條地震波，接著對篩選出的這10條地震波進行等步調幅，將每條地震波條幅成15條地震波，調幅后共150條地震波，之后將這150條地震波作用于A、B、C這三座橋，分析研究得到的動力響應。將各條地震波作用下所得到的墩頂最大位移提取出來，將提取出的墩頂最大位移以譜加速度為IM（強度指標），以墩頂峰值位移為DM（損傷指標）并利用Origin畫出相應的IDA曲線;對A、B、C三座橋的共30條IDA曲線進行分析，得到以橋墩柱體漂移率為結構倒塌判定準則的量化指標，得出了量化指標的25%概率分位值、50%概率分位值、75%概率分位值，最終以50%概率分位值作為橋梁倒塌判定的量化指標，并與現有的建議值進行對比，得出三座橋的該指標均滿足現有要求。由于三座橋的柱體漂移率均滿足現有要求，就可以得到有效的墩頂峰值位移值，并統計各橋的最大墩頂位移值，最終與容許位移進行比較，發現墩頂位移過大，因此橋梁抗震性能無法滿足規范要求。

參考文獻：

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作者簡介：鮑田豐（1994-），男，漢，江蘇省常熟市，教師，碩士研究生，蘇州工業職業技術學院，橋梁抗震。