簡支梁橋地震災害情景推演

陳 龍,李 舒,張翼飛

(1.安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥 230009;2.清華大學 合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601;3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230051)

2016年,中國地震局頒布了“大中城市地震災害情景構建”重點專項,針對北京、上海、沈陽、大同、昭通五個典型區域展開地震災害場景與應急對策的建立,為提高城市應急準備能力給予信息支持。我國是地震多發國家,近年來,破壞性發生時間短的地震災害事件頻發。目前地震應急處置工作都是一項世界性難題,傳統的“預測-應對”推演模式有待發展,基于情景依賴性,一種新的推演模式“情景-應對”產生[1]。橋梁是生命線工程的重要組成部分,一旦遭到地震破壞,不僅會對交通以及經濟造成巨大損失,而且還會阻礙災后展開的救援與重建工作[2-3]。隨著交通運輸事業的蓬勃發展,各種結構形式的橋梁不斷涌現出來[4],簡支梁橋作為中小跨度橋梁使用最為廣泛的橋型,相比于其他橋型,多跨簡支梁橋在破壞性地震中更易發生破壞、坍塌,這一點已被地震震害統計所證實,因此針對其進行情景推演研究具有重要的現實意義[5-6]。

諸多中外學者對災害事件的情景推演展開了研究和總結,張磊[7]等對泥石流災害系統運用知識元網絡進行易損性評估;李仕明[8]等對知識元,應急情景和突發事件關系進行結構化表述,并基于知識元理論對洪水災害進行了實例的情景表達和推演;王喆[9]等結合貝葉斯網絡對城鎮洪澇進行了情景推演;GaoS[10]等以新型病毒疫情為例基于動態貝葉斯網絡進行了傳染病疫情的情景推演;Shi L[11]等提出三種情景推演模型對鐵路突發事件過程進行推導,得出卷積神經網絡模型對于情景推演效果更好。但是他們依賴于歷史的災害數據,對于有的地區災害數據統計較少的則無法實現情景推演;并且目前對于簡支梁橋方面的地震災害情景推演的研究并未細致地展開。

為了更好地描述地震情景推演以及場景倒塌復現,本文提出了一種簡支梁橋地震災害情景推演,首先提取簡支梁橋災害的應急情景要素;其次構建了簡支梁橋地震災害情景庫;最后利用LS-DYNA通過加載不同的地震波對簡支梁橋地震倒塌全過程進行復現,驗證了情景推理的可行性,結果真實反映了簡支梁橋倒塌全過程;介紹了橋梁應急處置的方法,為簡支梁橋地震情景構建與推演提供參考。通過情景推演能夠在地震發生后的第一瞬間推算出橋梁的損壞情況和受損部位,因此對橋梁開展地震災害情景推演不僅能提高生命線工程安全運行能力,也是保障生命線工程安全可靠運行的重要條件。當地震發生后,能迅速地通過地震臺監測到的震級與情景庫進行相似性匹配,調取預設緊急處置方案,提升橋梁地震應急主動能力。

1 簡支梁橋地震災害情景構建

1.1 情景組成要素

情景的構成要素不但要涵蓋客觀性的事物,也應該具備一些有主觀性的活動(如應急處置),由于不同承災體自身災害性質的差別,為了更加清晰表述簡支梁橋災害情景之間關系,本文將簡支梁橋地震災害情景組成歸納為致災體、承災體、應急處置,如圖1所示。致災體為地震致災因子;承災體是指直接受到災害影響和損害的簡支梁橋本體;應急處置為地震發生后對簡支梁橋采取的應急措施。承災體、致災體以及應急處置三者之間相互作用將會推動整個簡支梁橋地震情景推演系統的演化與進展。

圖1 簡支梁橋地震災害情景要素作用關系

1.2 橋梁地震災害情景庫構建

情景單元是存儲情景的最小單元,橋梁地震情景推演是由無數個情景組成,橋梁地震災害有無數個不同的情景,每一個情景框架包含圖1的三個部分。

設S為不同時刻情景Si的集合,則有式(1)、式(2):

S=(S0,S1,S2,…,Sn)

(1)

Si=(NiAiRi),i=0,1,2,…,n

(2)

式(2)中:Si為組成S的一個情景;Ni為一個單要素的集合;Ai為Ni的屬性狀態集;Ri為Ni內部的屬性關系。

對情景庫進行展開分析,可以表示為如式(3)所示的關系。

(3)

式(3)中:N為情景庫的情景單元,A可分為時間t、空間s、輸入x、輸出y四個屬性集合,(t0,t1,…,tn),(s0,s1,…,sn),(x0,x1,…,xn),(y0,y1,…,yn)是組成無數條情景單元N的情景要素,結構圖如圖2所示。

圖2 情景庫結構圖

橋梁屬于大型土木工程結構,受到設備、場地多種條件的制約,實驗也只能按照小比例進行縮放,很難反映結構的實際情況。而且對于橋梁在地震作用下的倒塌需要做很多個橋梁構件進行重復試驗,橋梁情景推演需要數以萬計的橋梁進行地震加載,若采用計算機仿真分析,則可以在計算機上進行“試驗”,省時省力,節省開銷。當研究地震烈度對橋梁結構的影響時,只需對輸入的地震波進行修改,重新運算,即可非常方便地得到比較精確的分析結果。

LS-DYNA是一款分析功能強大的顯式動力學有限元分析軟件,不僅可以展示結構倒塌全過程的動畫效果,而且分析結果與實際震害相接近[12]。本文基于LS-DYNA構建橋梁在地震作用下的數值仿真情景庫,對不同的地震模擬加載下橋梁倒塌或者損壞情況進行虛擬仿真,通過虛擬仿真客觀識別橋梁發生震害的薄弱環節以及存在的風險隱患。地震災害情景庫的構建,可以形成無數條情景相片,可以將地震后的橋梁的受災情況展現出來,了解橋梁結構在地震后最薄弱環節以及易局部倒塌部位,每一個情景相片都對應一種應急處置方案,更加高效且直觀地輔助搶險救援工作開展。

1.3 應急處置

橋梁發生震害后第一時間首先進行封閉交通,疏散人群,然后組織應急檢查,隨后對橋梁的破壞受損情況進行控制。國內外把橋梁的震后損害狀態分為三種:基本完好、輕微破壞、嚴重破壞[13-14],橋梁的損壞狀態與應急處置之間的關系如圖3所示,對于LS-DYNA中橋梁震后損傷狀態的評判依據為單元的失效,結構的局部破壞通過失效單元模擬,單元在達到預先定義好的效準則后便不再工作。LS-DYNA中提供了模擬材料失效的方法,即通過在關鍵字文件中加入*MAT_ADD_EROSION命令。本文采用極限應變失效準則,當鋼筋混凝土受壓到達定義的失效參數時,單元即被判定為失效破壞。

圖3 橋梁損害狀態與應急處置關系

情景應急處置的提出目的是把潛在的風險以及抽象的問題具象化成一種更加清晰的損失情景,從而制定更加明確的應對策略。系統會基于此并結合數值模擬的結果進行對應形成每一條情景的應急處置措施,當地震來臨時,通過地震監測臺站接收到的信息與事先通過情景推演出的情景庫進行最相似的迅速匹配,形成最快的應急處置方案進行緊急處置。當地震發生后,能夠通過情景推演推算出橋梁的損害情況,給交通運輸部門提供橋梁進行封橋或臨時修復的建議,在第一時間控制地震帶來的人員傷亡和經濟損失,大致的流程簡圖,如圖4所示。

圖4 橋梁地震應急處置簡圖

2 案例驗證

2.1 案例描述

本文選取三跨混凝土簡支梁橋作為研究對象,全橋結構簡圖如圖5所示,跨徑組合為30m+30m+30m的三跨簡支梁,梁高1.8m,橋寬12m,下面設有12個橡膠支座,橡膠支座的尺寸為0.6m×0.6m×0.2m,下部結構為雙柱式橋墩,其中橋梁抗震設防烈度為8度(0.2g),抗震等級為四級,建筑場地類別為Ⅱ類,設計地震分組為第二組。

圖5 簡支梁橋結構簡圖

2.2 情景變量的選取

簡支梁橋地震災害情景推演時,需要考慮地震烈度對于結構的影響,由于地震波的輸入不同,橋梁結構倒塌形式也會相差較大。簡支梁橋地震災害事件情景庫包含多個情景單元,每一個情景單元的情景要素發生改變,往往會對應急處置的結果產生影響。根據設防烈度、地震分組、場地類別等主要參數,按照《建筑抗震設計規范》[15]擬合設計反應譜,為了方便描述情景推演,選取了兩條天然波和一條人工波作為情景輸入的變量進行水平方向的加載,計算取地震波輸入的前16s,選取的地震動峰值加速度分別為100gal、200gal、620gal。

2.3 輸入天然波1

當地震動峰值加速度為100gal時,簡支梁橋在天然波1作用下的有效塑性應變圖,如圖6所示。

(a)t=2.72s

地震加載全過程橋體水平輕微晃動,A1梁與左側橋臺出現輕微碰撞,橋梁并未發生倒塌。加載初始階段,當t=0.52s時,應變最早出現于2號墩左側與地面接觸處;當t=2.72s時,應變發展至位于2號墩右側與地面接觸處,此時2號墩底部是應變集中位置;隨著地震波的加載,當t=13.24s時,3號墩與地面接觸處也產生了較大的應變;當t=14.75s時,由于A1梁與橋臺發生碰撞,應變集中于發生碰撞處。

2.4 輸入天然波2

當地震動峰值加速度為200gal時,簡支梁橋在天然波2作用下的有效塑性應變圖,如圖7所示,地震加載全過程橋體水平晃動劇烈但并未倒塌。加載初始階段,當t=2.14s時,應變集中于2號墩底與3號墩底處,并且A3梁右端局部由于與右側橋臺碰撞也產生變形;當t=2.55s時,4號墩底處由于A3梁撞擊右側橋臺出現向右趨勢的變形;當t=3.1s時,4號墩墩底部出現應變集中,兩柱柱底位置出現變形;當t=7.94s時,應變集中于1號墩底處,由于梁體移位,A1梁與A2梁,A2梁與A3梁在伸縮縫處發生碰撞產生了局部變形;當t=16s時,應變集中于A1梁與左側橋臺發生碰撞處。

(a)t=2.14s

2.5 輸入人工波

當地震動峰值加速度為620gal時,人工波的簡支梁橋倒塌演化過程,如圖8所示,地震連續倒塌過程持續大約7.03s。加載初始階段,結構處于彈性變形,主要為水平晃動。后支座先破壞,主梁位移無法限制,簡支梁主梁部分在反復地震荷載作用下整體往右側位移,A1、A2、A3梁發生碰撞。當t=3.27s時,A1梁由于地震荷載作用位移過大超過其下橋臺的搭接長度導致落梁;隨著落梁的持續進行,當t=6.37s時,A1梁左端觸地,其間伴隨著支座的脫落;當t=7.03s時,A3梁左側撞地,A3梁右側橋臺受損嚴重,三跨簡支梁全部落梁倒塌破壞,橋面呈現多米諾骨牌一樣斷裂。

(a)t=3.27s

2.6 結果分析

(1)對于峰值加速度100gal的天然波,由以上分析可以看出:在地震加載過程中,位于中間跨橋墩墩底位置、簡支梁左側與橋臺接觸處均是應變集中的部位,也是橋梁在發生地震時最薄弱的部位;相比于邊跨,橋梁位于中跨橋墩上方的橋跨結構更加的危險,在發生地震時更易倒塌破壞。因此,當地震發生后,此時的橋梁狀態應為基本完好,故采取的應急處置建議為優先對這些部位進行“檢查與應急加固”處置。

(2)對于峰值加速度200gal的天然波作用下的簡支梁橋,不僅僅是中間跨位置墩底,邊跨位置的墩底同樣也是薄弱部位;橋墩墩底處相比于橋墩與蓋梁連接處的位置更容易發生破壞;位于橋臺與主梁伸縮縫兩端的部位以及主梁之間的伸縮縫兩端的部位均是應變集中位置。因此,當地震發生后,由于梁體之間發生碰撞導致主梁產生變形,震后無法正常通行,此時的橋梁狀態應為輕微破壞,故采取的應急處置建議為優先對產生變形的部位進行“搶修保通”處置。

(3)對于峰值加速度620gal人工波作用下的簡支梁橋,橋梁在7.03s就發生了全部的落梁破壞,此時橋梁震害損害狀態為嚴重破壞,由于短期內無法恢復交通通行,對于嚴重破壞情形的橋梁應急處置給出的建議應為立即“封橋”處置。

3 結論

本文以簡支梁橋為研究對象,圍繞其在不同地震波下的作用進行研究,得出以下結論。

(1)提出了一種簡支梁橋地震災害情景推演,并提取簡支梁橋地震災害的應急情景要素,構建了簡支梁橋地震災害情景庫,利用LS-DYNA通過加載不同的地震波對簡支梁橋地震倒塌全過程進行復現,驗證了情景推理的可行性。

(2)簡支梁橋在地震荷載作用下,橋梁的中間跨橋墩墩底位置、邊跨墩底位置、位于橋臺與主梁伸縮縫兩端的部位以及主梁之間的伸縮縫兩端的部位均是風險薄弱部位,在發生地震后應重點關注上述部位。

(3)簡支梁橋地震災害情景庫的構建能夠快速地推演出簡支梁橋在不同地震波作用下的風險薄弱環節,根據橋梁損壞狀態提出對應的應急處置措施。當地震發生后,能迅速地通過地震臺監測到的震級與情景庫進行相似性匹配,調取預設緊急處置方案,提升橋梁地震應急主動能力,使得人們從地震工程學的角度認識到地震災害的整個演化過程,同時提高相關部門應急救援能力和救援效率。