大跨度上承式鋼管混凝土拱橋抗震韌性評估

張季偉，杜軻.2024.大跨度上承式鋼管混凝土拱橋抗震韌性評估［J］.地震研究，47（1）：037-050，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0029.

Zhang J W，Du K.2024.Seismic resilience assessment of long-span， deck concrete-filled steel tube arch bridge［J］.Journal of Seismological Research，47（1）：037-050，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0029.

摘要：為評估大跨度上承式鋼管混凝土（Concrete-filled Steel Tube，CFST）拱橋在不同地震動強度下的抗震韌性，以一座320 m上承式CFST拱橋為研究對象，利用Midas/Civil軟件建立結構有限元模型并進行非線性結構響應分析，定義了拱橋的易損性組和性能組，開展地震易損性分析，分別評估在不同地震動強度作用下拱橋結構的維修費用和維修時間等抗震韌性指標，給出拱橋的抗震韌性評級方法和依據(jù)。結果表明：該結構最終抗震韌性評級為一星，其中維修時間是影響拱橋結構綜合抗震韌性等級的關鍵指標，結構構件對拱橋結構的抗震韌性有較大的影響。

關鍵詞：大跨度上承式CFST拱橋；非線性結構響應分析；性能組；抗震韌性指標；抗震韌性評級

中圖分類號：P315.9；U448.22"""文獻標識碼：A"""文章編號：1000-0666（2024）01-0037-14

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0029

0"引言

近年來，高速交通網(wǎng)絡特別是在其中占據(jù)著重要地位的高速橋梁迅速建設。大跨拱橋作為重要的生命線工程之一易受地震影響，一旦發(fā)生較大的地震損傷，不僅會造成人民生命財產(chǎn)的巨額損失，還會給正常的交通運輸行業(yè)以及災區(qū)救援工作造成極大的壓力，因此針對橋梁結構進行地震損失評估以及抗震韌性提升是十分必要的。

目前國內外學者對橋梁的地震損失評估開展了一些工作，如張強（2014）以層次分析法和模糊數(shù)學為基礎提出了一種混凝土簡支梁橋震害快速評定方法，實現(xiàn)從宏觀上快速評估橋梁地震損失；許圣（2015）以一座公路RC連續(xù)梁橋為例進行地震易損性分析和經(jīng)濟損失估計；劉洋（2018）考慮了橋梁震后修復方法的差異并定義性能組，對3種中小跨徑鋼-混凝土組合結構橋梁的直接經(jīng)濟損失和維修時間等抗震韌性指標進行了評估，結果顯示改進橫梁構造能夠改善鋼-混組合梁橋的震后損傷狀態(tài)并能提高其抗震韌性；馮莉等（2020）以一座高速鐵路連續(xù)梁橋為研究對象，運用全概率基于性能地震工程（Performance Based Earthquake Engineering，PBEE）方法計算該橋梁全生命周期內的地震經(jīng)濟損失，發(fā)現(xiàn)該高鐵連續(xù)梁橋在整個設計周期內發(fā)生輕微損傷及中等損傷的概率較大，且選用不同的折現(xiàn)率對結構全周期地震損失成本的影響較大；楊國俊等（2022）選擇一座三跨RC連續(xù)梁橋為研究對象，發(fā)現(xiàn)3種修復函數(shù)對修復時間、目標功能和耽擱時間等韌性指標的敏感程度有顯著差異；Ghosh和Padgett（2011）基于非齊次泊松過程考慮腐蝕退化的影響，以兩座不同類型的公路橋梁為例，基于時間進行地震經(jīng)濟損失評估，結果表明通過明確考慮橋梁構件退化的影響所估計的地震經(jīng)濟損失顯著偏高，構件的相對貢獻會發(fā)生變化并因橋梁類型而異，且老化橋梁的損失估計往往比原始橋梁對工程需求參數(shù)（Engineering Demand Parameter，EDP）更敏感；Li等（2020）對采用4種形狀記憶合金限制器改裝的隔震簡支公路梁橋進行了直接經(jīng)濟損失和生命周期損失的評估，結果表明該類隔震裝置對橋梁的長期地震損失有顯著影響；Giouvanidis和Dong（2020）采用PBEE方法對單搖擺柱橋梁進行了基于地震場景的抗震韌性評價，結果表明與固定基座結構相比，搖擺類橋梁結構的地震損失顯著減小并在所有超越概率的地震危險場景下均能保持很好的韌性，對搖擺柱的長細比稍作修改便可顯著降低地震損失。

2012年美國FEMA和ATC部門共同提出了FEMA P-58建筑抗震性能評估理論（FEMA，2018），通過引入全概率PBEE方法對維修成本、維修時間和人員傷亡等損失結果進行量化，進而指導結構的性能設計；2021年我國正式實施《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591—2020），將維修成本、維修時間和人員傷亡作為韌性指標用于我國建筑結構的抗震韌性評估。目前，國內對橋梁結構的地震損失評估多基于經(jīng)驗統(tǒng)計方法，而PBEE方法主要應用于普通建筑結構，應用于橋梁結構的研究較少且大多停留在經(jīng)濟損失評估層面上。上承式CFST拱橋由于其剛度大、強度高的特點被廣泛應用于大跨橋梁建設中，是高速公路橋梁的優(yōu)選之一。鑒于此，本文以一座大跨度上承式CFST拱橋為研究對象進行抗震韌性評估，定義易損性組和性能組，評估該結構在不同地震動強度下的各抗震韌性指標，并評定其抗震韌性等級。

1"橋梁模型

以我國西南地區(qū)某實體大橋為基礎，按照《橋梁抗震設計規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020），設計了一座大跨度上承式CFST拱橋作為研究對象，結構所在場地類別為II類，設防烈度為Ⅷ度（PGA=0.2 g），設計地震分組為第2組。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）第3.1.2條規(guī)定，橋梁抗震設防類別為A類。橋梁凈跨320 m，矢跨比為1/4.2，橋面寬為25.5 m，雙向四車道；主拱圈、斜豎桿以及拱上立柱等主體部分構件為鋼管混凝土材料，腹桿和剪力撐等構件為空鋼管；橋面結構形式采用預制混凝土板梁，蓋梁為鋼筋混凝土構件。利用Midas/Civil軟件建立該結構的有限元模型，共有3 126個節(jié)點，5 318個單元，整體構造如圖1所示。

全橋所有構件均采用梁單元模擬，通過考慮材料的本構關系和劃分纖維截面來設置纖維模型，鋼材和混凝土的型號從《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）和《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》（JTG D64—2015）中選取，鋼管混凝土構件以及空鋼管構件均采用16Mn鋼材，其他構件所用鋼筋采用HRB400級，鋼材的本構關系采用雙折線模型，對應的力學參數(shù)見表1。由于鋼管的約束作用，需考慮鋼管對核心混凝土應變和軸壓強度的提高作用，約束混凝土本構關系采用Mander模型（陳建偉等，2015）模擬，各鋼管混凝土構件的材料型號、截面尺寸以及約束混凝土的各項力學參數(shù)見表2。

拱腳與基礎連接處固結，拱上立柱和主拱連接處為剛性連接，橋面兩端處參照實際結構的處理方式，釋放6個自由度中其中2個轉動方向的自由度。對結構施加3%的瑞利阻尼并進行模態(tài)分析，選取前6階振型的主要信息列于表3，對應的各階振型如圖2所示，通過分析結構的基本動力特性可以驗證該拱橋結構有限元模型建立的準確性。

2"結構響應分析和易損性分析

2.1"地震動的選取與調幅

橋址處的分區(qū)特征周期從《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）中得到，結合結構設防等級和其他場地信息，根據(jù)《橋梁抗震設計規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）得到該橋梁結構的規(guī)范設計反應譜，以上述規(guī)范譜作為目標譜，從太平洋地震工程研究中心（PEER）網(wǎng)站上共篩選出18條地震動記錄，其具體信息見表4。

2.2"結構響應分析和EDP的選取

輸入X、Y和豎向的三維地震動，分別在多遇地震、設防地震、罕遇地震和極罕遇地震強度水平下對結構進行非線性結構響應分析。分析結果表明：在多遇和設防地震下，橋體下部的主拱圈及附屬構件絕大多數(shù)處于線彈性狀態(tài)，而立柱橋墩以及支座處延性較大，在罕遇和極罕遇地震下進入彈塑性狀態(tài)，位移響應較大的關鍵構件主要位于跨中附近，且Y方向（橫橋向）的響應遠大于X方向（順橋向），應變較大的地方多集中在立柱橋墩頂部以及支座處；橋墩頂部加速度與位移的結果相反，最大加速度響應主要體現(xiàn)在順橋向，在4個地震動強度下拱橋結構X方向的平均最大絕對加速度分別為0.187、0.513、0.939和1.116 g。

對于大跨度上承式CFST拱橋這種高階振型貢獻率較大的不規(guī)則復雜結構，從材料本構層次采用構件截面最大應變ε作為結構需求參數(shù)更加精確（喬保娟等，2022）。由于結構構件種類較多且考慮橋梁通行功能的影響，增加位移延性系數(shù)μ_Δ和轉角延性系數(shù)μ_θ這2個宏觀指標。鋼管混凝土構件的EDP采用最大應變，固定支座采用μ_Δ，橋面處板梁節(jié)點采用μ_θ。以上EDP與變形或位移有關的結構構件可統(tǒng)稱為位移敏感型構件，其損傷狀態(tài)分為5級，分別為完好（0級）、輕微損傷（1級）、輕度損傷（2級）、中度損傷（3級）和嚴重損傷（4級），對應的劃分標準見表5（李小珍等，2020；California Department of Transportation，2002）。鋼管混凝土構件的截面最大應變原則上應對鋼材和混凝土分別考慮，但對于某些結構響應較大的構件，混凝土總是比鋼材先達到較高的損傷狀態(tài)，所以可只將混凝土的最大應變列為需求參數(shù)。非結構構件常用的EDP有峰值加速度、峰值速度等，本文中橋梁的路燈、維修爬梯等非結構構件大都為加速度敏感型，故其需求參數(shù)均采用最大加速度，損傷狀態(tài)分為4級，分別為完好（0級）、輕度損傷（1級）、中度損傷（2級）和嚴重損傷（3級），對應劃分標準見表6。

2.3"結構易損性分析

2.3.1"易損性分組

將全橋所有構件劃分成有代表性的有限組別，分組計算地震損失，每個易損性組對應唯一的需求參數(shù)，組內的所有構件具備相同的構件易損性函數(shù)和相似的損傷狀態(tài)。除去對地震損失評估影響不大的牢固構件，該拱橋結構參與易損性分組的共有14種構件，其中有6種結構構件和8種非結構構件，最終劃分得到13個易損性組。各類構件的易損分類編碼含義如下：B10代表結構構件；B30和C代表位于上部結構（橋面）的非結構構件；D代表非結構構件中的消防設施和管道類構件。

主拱構件和斜豎桿構件的易損性函數(shù)完全相同，具有相同的損傷狀態(tài)和維修方案，且最終作為一個裝配體在施工上有一定的聯(lián)系，可劃分到同一個易損性組中。分組后對于每個易損性組細化損傷狀態(tài)，以固定支座B1051.001為例，其各級損傷狀態(tài)如下：1級為支座發(fā)生輕微損傷，支座的大部分處于線彈性狀態(tài)，局部發(fā)生屈服，總體處于有限延性狀態(tài)（0≤μlt;1.5），無需修復或僅需要極短的修復時間，對修復費用的影響微小，可忽略不計；2級為支座屈服，總體處于適度延性狀態(tài)（1.5≤μlt;3），需要部分維修或更換，造成更大的修復費用和更長的修復時間；3級為支座進入高度延性狀態(tài)，發(fā)生可見大位移，μ為4～6甚至更大，需要立即更換，要求很高的修復費用和很長的修復時間；4級為支座完全破壞。其余易損性組構件的各損傷狀態(tài)詳見表7、8。

2.3.2"構件易損性函數(shù)

構件易損性函數(shù)是在給定需求下構件發(fā)生某種損傷狀態(tài)的條件概率分布，假設服從對數(shù)正態(tài)分布，同一易損性組里的每個損傷狀態(tài)的易損性曲線由2個易損性參數(shù)需求中位值θ和對數(shù)標準差β確定，可表示為：

式中：F_i（D）為第i個損傷狀態(tài)的易損性函數(shù)；θ_i和β_i分別為對應的需求中值和對數(shù)標準差。

《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591—2020）和FEMA（2018）提供了多種建立構件易損性函數(shù)的方法：①通過試驗或破壞性地震后的數(shù)據(jù)采集、分析等建立；②對于沒有可獲得的數(shù)據(jù)，可采取專家基于工程經(jīng)驗提供的有關意見建立；③基于計算的易損性，使用理論值進行推導。本文參考《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591—2020）推薦的方法對該拱橋各主要構件易損性函數(shù)的θ和β進行量化，并對易損性函數(shù)進行了分析和總結：對于位移敏感型結構構件，其易損性參數(shù)可參照表5或根據(jù)結構響應時程分析得到的構件最大應變或轉角確定；對于加速度敏感型非結構構件，根據(jù)結構響應時程分析得到的結構某高度處最大加速度按表6確定或按上述規(guī)范提供的其他方法確定，B1051.001的構件易損性曲線如圖4所示。其余各構件損傷狀態(tài)的易損性參數(shù)列于表9、10，非結構構件相較于結構構件更易損傷，其損傷狀態(tài)數(shù)量可能出現(xiàn)較少的情況。

分析總結得到易損性函數(shù)的θ和β等具體參數(shù)后，參考FEMA（2018）定義各易損性組中構件易損性函數(shù)的質量等級水平，質量等級分為高、中和低，具體劃分方法和評定依據(jù)見表11。由于易損性數(shù)據(jù)庫的局限性，對于定義的易損性組，各組內易損性參數(shù)的質量等級水平各有高低。本文得到的構件易損性參數(shù)θ≥0.2且β≤0.6，位移敏感型結構構件EDP對應的損傷狀態(tài)的劃分標準及易損性信息來源于大量試驗或震害后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，此類易損性組總結得到的易損性信息的合理性和可靠度較高，其質量等級可定為高；對于加速度敏感型的非結構構件，主要是基于計算的易損性或有行內從業(yè)經(jīng)驗的專家意見得到的結果，部分組別的結果有待后續(xù)驗證和完善，此類易損性組的質量等級可能較低。

3"抗震韌性評估

對該拱橋進行抗震韌性評價，在不同地震動強度下評估各抗震韌性指標并評定其抗震韌性等級。在評估結構地震損失和進行韌性評級時，橋梁結構與普通建筑結構的相關理論有所不同：橋梁結構的實際修復工作不考慮沿高度方向（層間）的并行性，考慮到其修復邏輯的差異性，維修時間指標的計算方法和評級依據(jù)需單獨研究；與建筑結構人員大量聚集且長時間居住的特點不同，常見的橋梁結構以橋面交通為主要功能，故本文對橋梁結構的抗震韌性評估暫不選用人員傷亡指標；維修費用指標的計算和評級參考《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591—2020）。

3.1"橋梁的性能模型

3.1.1"基本信息

主橋面長為320 m，拱高63.2 m，橋面可通行總面積為3 360 m²。我國西南地區(qū)大跨拱橋平均造價最低在6 000元/m²以上，按現(xiàn)行定額計算取8 000 元/m²，預計全橋總造價約為2 680 萬元，建筑重建需要拆遷，拆遷會使重建費用增長20%～30%（FEMA，2018），綜合考慮該橋梁的重置成本為3 200萬元。查詢經(jīng)驗性的大型施工單位工期計算標準，結合實際地形影響，估計結構的重置時間為320 d；設損失閾值為重建費用的45%，地震作用下的修復費用超過該閾值時建議重建。

3.1.2"易損性組和性能組

性能組是將具有相同需求參數(shù)的易損性構件進行細分，其劃分依據(jù)主要是EDP大小和方向性的差異。由于加速度沿高度也是變化的，所以位于不同高度水平的加速度敏感型構件應歸為不同的性能組。將本文的拱橋結構按修復順序沿高度從下到上分為若干不同的高度區(qū)段，橋梁下部結構（主拱圈和橋墩高度部分）按每4 m為一個高度區(qū)段，蓋梁、上部結構高度部分可分別作為一個高度區(qū)段，從下往上分別編號為1～18；使用μ_Δ和μ_θ作為EDP的結構構件要考慮的方向性，加速度敏感型非結構構件的加速度與方向獨立。易損性組以及各性能組的數(shù)量見表12。

3.2"地震損失評估

地震損失評估使用蒙特卡洛抽樣方法（MC方法），也叫統(tǒng)計試驗方法，這是一種基于“隨機數(shù)”的計算方法，通常解決一些數(shù)值方法難以計算的問題。從彈塑性時程分析結果中提取所需要的EDP，結合構件易損性信息利用MC方法評估結構的地震損失，將各指標的評估結果數(shù)據(jù)進行對數(shù)正態(tài)分布擬合即可得到結構在某一地震損失水準下的概率分布曲線，其中蒙特卡洛模擬的獨立重復次數(shù)不少于1 000次。將結構各構件劃分為結構構件W1、樓梯W2、圍護構件W3、宣傳標語/指示牌W4、路燈W5、管線類構件W6、消防栓W7共7個部分，以便統(tǒng)計整理時較為直觀地展示不同使用功能的構件的損失評估結果。

3.2.1"維修費用評估

1 000次蒙特卡洛模擬完成后，經(jīng)對數(shù)正態(tài)擬合得到該拱橋結構在多遇地震、設防地震、罕遇地震和極罕遇地震作用下維修費用的概率分布如圖5a所示，4種地震動強度作用下結構構件和非結構構件具有84%保證率的維修費用如圖5b所示，不同使用功能組件的修復費用占比如圖6所示。

結構在4種地震動強度水平下84%保證率對應的修復費用分別為1.2萬、19.03萬、47.5萬和78.78萬元，其中有關結構構件的修復費用依次為0萬、6.91萬、25.1萬和51.0萬元，可以發(fā)現(xiàn)：①地震動強度的增大會使大跨度上承式CFST拱橋結構的維修費用以及結構構件部分的維修費用快速增加，且地震動強度越大增長速度越快；②在不同地震動強度下非結構構件和結構構件的維修費用所占比重區(qū)分明顯。

非結構構件的維修費用最先出現(xiàn)，多遇地震下拱橋結構的維修費用全部來源于路燈、宣傳標語指示牌等易破壞的非結構構件，數(shù)值較小可忽略不計；結構構件的維修費用從設防地震開始出現(xiàn)且占比逐漸增大，在設防地震下占比約為1/3，罕遇和極罕遇地震下分別達到1/2和2/3，是造成結構地震經(jīng)濟損失的主要因素。結構構件的維修費用主要來源是立柱橋和支座等結構響應較大的構件，其中橋墩在所有構件中占比最大，其次是固定支座，相較之下橋面的板梁節(jié)點不易損傷但由于其數(shù)量較多，因此總體損失占比略小于固定支座；非結構構件的維修費用中，管線類構件雖損傷閾值較高但因其成本高所以維修費用同樣較高，從設防地震開始損失占比一直最大，圍護構件的維修費用次之但占比增長較快，其余非結構構件占比較小。

大多數(shù)非結構構件相較于結構構件更易破壞，在遭遇較高的地震動強度之前就已達到較嚴重的損傷狀態(tài)，因此其維修費用在遭遇罕遇地震之后增長緩慢；結構構件在多遇地震時不易損傷，遭遇設防地震甚至罕遇地震之后才對應出現(xiàn)較為明顯的維修費用，且地震動強度越大結構構件的損傷狀態(tài)越嚴重，維修費用及所占比重就越高。因此非結構構件的地震經(jīng)濟損失在小震時占比較大，但隨地震動強度的增大占比逐漸減小，而結構構件的經(jīng)濟損失情況剛好相反。

3.2.2"維修時間評估

美國FEMA P-58規(guī)范（FEMA，2018）和《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591—2020）均適用于常見建筑結構的韌性評價，兩者對于維修時間指標的計算是基于房屋建筑層間并行修復的假定，不同樓層的修復工作可同時展開，而橋梁的上下部結構作為一個整體在施工流程和修復工作中有較為明確的先后順序，需要依次進行。因此本文的拱橋結構假定沿高度串行修復，修復區(qū)段即3.1.2節(jié)中劃分的若干高度區(qū)段，同一高度區(qū)段的構件修復可分為兩個階段，第一階段包括樓梯和結構構件修復，第二階段為其余非結構構件的修復，后者可同時進行。相較之下，本文采用的修復方式所得的維修時間更符合實際情況，橋梁結構的維修時間計算公式如下：

式中：T_k，S1為第k個修復區(qū)段完成第一段修復工作需要的修復時間，單位為d；T_k，S2為第k個修復區(qū)段完成第二段修復工作需要的修復時間，單位為d；T_tot為橋梁維修時間，即該拱橋完成全部功能性修復工作所需要的維修時間，單位為d；n_S為沿高度劃分的修復區(qū)段數(shù)，對于本文拱橋結構，n_S=18。

對于維修時間，使用蒙特卡洛方法模擬得到的評估結果如圖7、8所示，其中圖7a為該拱橋結構在不同地震動強度作用下維修時間的概率分布，圖7b為各地震動強度作用下結構構件和非結構構件具有84%保證率的維修時間，圖8為部分修復工作并行開展的非結構構件的維修時間所占比重，圖中只能展示其中占比最大的一組）。

拱橋結構在各地震動強度下對應具有84%保證率的維修時間分別為2.73、16.88、33.75和70.43 d，其中有關結構構件的維修時間依次為9.74、22.53和55.79 d，可以看出結構整體和結構構件部分的維修時間均隨地震動強度的增大而迅速增加，且增長速度越來越快。

多遇地震下拱橋結構的維修時間平均為0.42 d，由少部分易損壞的非結構構件組成，此時結構經(jīng)過很短的時間便可修復完成繼續(xù)投入使用。結構構件在設防地震下就開始出現(xiàn)很高的維修時間占比，之后一直保持較高的增長，在設防地震、罕遇地震和極罕遇地震下的維修時間占比分別約為3/5、2/3和4/5，這是因為地震動強度越大，結構構件破壞越嚴重。地震過程中大量結構構件的損傷是結構整體維修時間的主要來源，可見結構構件對該結構地震損失的貢獻，在維修時間指標上更加突出，特別是在強地震作用下。

各結構構件中橋墩、支座和橋面節(jié)點等的維修時間較多，其中立柱橋墩的維修時間及占比最大，板梁由于節(jié)點較多、修復工作量大所以維修時間多于支座；各主要的非結構構件中，管道類構件的維修時間在各地震動強度作用下的占比均為最高，其他組的維修時間占比較小且均勻。宣傳標語/指示牌成本低、更換快，消防栓不易損傷，此類構件在各地震動強度作用下的維修費用和維修時間占比都很小，可以忽略，因此未全部在地震損失評估結果圖中標注。

由上述分析結果得到：結構構件的破壞是影響大跨度上承式CFST拱橋結構維修費用和維修時間的最主要因素，結構構件對該結構的抗震韌性有較大的影響。在同高度的非結構構件同時修復的情況下，排水管道、消防管道等各管線類組件的維修時間依然很高，因此在進行管線類所在高度區(qū)段的修復工作時，決策者可適當增加維修人員數(shù)量。

3.3"抗震韌性評級

因為大跨度上承式CFST拱橋結構與建筑結構在結構類型、使用功能以及修復邏輯等方面區(qū)別明顯，在抗震韌性評估流程中部分評價指標的選用依據(jù)和計算方法差異較大，所以兩者對應的評級依據(jù)應當不同，針對橋梁結構應專門研究：一方面大跨拱橋構件沿高度串行修復方式得到的結構維修時間明顯比高度相同、工程量相近的考慮層間修復并行性的普通建筑結構卡得多，所以對橋梁結構維修時間指標的評級標準可適當放寬；另一方面考慮到交通功能是橋梁的主要功能，本文拱橋結構的抗震韌性評價未增加人員傷亡指標，導致采用剩余的評價指標對結構綜合抗震韌性等級的影響權重會有所變化，且為保證震后橋面快速恢復通行，橋梁實際維修時間的控制標準又不能過大。由于各結構類型的結構維修費用的計算原理基本一致，是否考慮修復工作的并行性對于維修費用評估結果影響不大，故橋梁維修費用指標的評級依據(jù)參照《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T 38591—2020）。本文借鑒了我國標準中對評級方法的定義同時綜合考慮以上因素，最后針對該拱橋結構各抗震韌性指標的評級依據(jù)見表13，取所有評價指標的最低等級作為該結構的抗震韌性等級。

對3.2節(jié)中由1 000次蒙特卡洛模擬得到的維修費用和維修時間指標等地震損失結果進行總結，按具有84%保證率的對數(shù)正態(tài)擬合值為依據(jù)分別評定各個抗震韌性指標的等級，最后對該結構進行綜合抗震韌性評級，評級結果見表14。

大跨度上承式CFST拱橋結構抗震韌性評級為一星，其中維修時間是抗震韌性指標中的短板，是影響該結構抗震韌性等級的關鍵指標，可為防災決策提供依據(jù)。在不考慮人員傷亡的前提下（按現(xiàn)行規(guī)范或標準設計的建筑結構其人員傷亡評估結果一般極小），一些內部含有較多昂貴的機器設備等非結構構件的建筑結構可能要求設備具備較高的抗震韌性，以盡可能降低結構的維修費用；而該類拱橋通常是重要的生命線工程，實現(xiàn)結構的震后快速修復以保證交通運輸和災區(qū)援建工作的正常運行較為關鍵，由于應用途徑和設備組成等差異，其結構構件無論是數(shù)量、造價還是施工時間都遠超非結構構件，其對維修費用和維修時間評估結果的影響權重都比后者大，同時考慮到維修時間指標是該類拱橋結構抗震韌性評級的關鍵，因此此類結構抗震韌性的提升主要依賴于結構構件抗震性能的提升，通過提高結構在維修時間方面的韌性，從而達到提高其綜合抗震韌性的目的。

4"結論

本文以一座大跨度上承式CFST拱橋為研究對象進行了基于不同地震動強度作用下的抗震韌性評估，并完成在不同地震動強度作用下各抗震韌性指標的地震損失評估，并評定結構的抗震韌性等級，主要得到以下結論：

（1）對一座大跨度上承式CFST拱橋結構進行非線性結構響應分析，發(fā)現(xiàn)立柱橋墩這種結構響應較大的鋼管混凝土構件，混凝土材料總是先于鋼材達到較高的損傷狀態(tài)；本文針對拱橋結構不同類型的構件分別從材料本構和宏觀變形的角度采用了不同的EDP，抗震韌性評估結果驗證了這一方法的可行性。

（2）在地震動強度較小時，非結構構件的損失占比較大，但隨著地震動強度的增大占比逐漸減小，結構構件的情況正好相反；結構構件的維修費用和維修時間組成主要來源于立柱橋墩，非結構構件的損失組成中管線類構件占比最高。

（3）結構構件對大跨度上承式CFST拱橋結構的抗震韌性有較大的影響，是造成結構地震損失的主要因素，對抗震韌性的影響突出體現(xiàn)在維修時間上，特別是在強地震作用下。

（4）拱橋結構抗震韌性評級為一星，其中維修時間是影響其綜合抗震韌性等級的關鍵指標，可作為防災決策的依據(jù)。維修時間指標對大跨度上承式CFST拱橋結構整體的抗震韌性更為重要，在實現(xiàn)震后橋面通行功能的快速恢復時較為關鍵。為提高此類結構的綜合抗震韌性，建議其抗震韌性設計可重點從對維修時間影響較大的結構構件方面入手。

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Seismic Resilience Assessment of Long-span，Deck Concrete-filledSteel Tube Arch Bridge

ZHANG Jiwei^1，2，DU Ke^1，2

（1.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

（2.Key Laboratory of Earthquake Disaster Mitigation，Ministry of Emergency Management，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

Abstract

As a common type of highway bridge in China，the long-span，deck concrete-filled steel tube（CFST）arch bridge is greatly affected by earthquake disasters.In order to evaluate its seismic resilience subjected to different earthquake intensities，a 300-meter long，deck CFST arch bridge was studied.Midas/Civil software was used to establish the finite element model of the structure to analyze the structure's nonlinear structural response.The “fragility group” and the “performance group” of the arch bridge were defined，to analyze the bridge's seismic fragility.The seismic resilience indexes for the bridge—maintenance cost and maintenance time—were evaluated respectively according to different ground motion intensities.The method and basis of seismic resilience rating for arch bridges were given according to the Standard for Seismic Resilience Assessment of Buildings（GB/T 38591-2020f）.The seismic resilience of the bridge is rated as “one star”，in this case the maintenance time is the key index affecting the comprehensive seismic resilience grade of the bridge.Meanwhile，the structural components significantly influence the seismic resilience of the bridge.

Keywords：long-span，deck CFST arch bridge；nonlinear structural response analysis；performance group；seismic resilience index；seismic resilience rating

*收稿日期：2023-03-21.

基金項目：中國地震局工程力學研究所基本科研業(yè)務費專項項目（2021EEEVL0301）；國家自然科學基金（51878631）.

第一作者簡介：張季偉（1998-），碩士研究生在讀，主要從事結構抗震方面研究.E-mail：zhangjw911526@foxmail.com.

?通信作者簡介：杜"軻（1985-），研究員，博士，主要從事結構抗震方面研究.E-mail：duke@iem.ac.cn.