鋼箱梁橋的鋼筋混凝土橋墩的地震易損性分析

摘 要：本文采用非線性時(shí)程分析方法研究了橋墩高度、橋墩截面類型和橋梁總長(zhǎng)度對(duì)鋼箱梁橋的鋼筋混凝土橋墩的地震易損性的影響。從歷史地震事件中隨機(jī)選取了20個(gè)地震運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行加載。結(jié)果表明，橋墩較短的橋梁比橋墩較高的橋梁更不易發(fā)生地震。與其它類型相比，墻壁式截面橋墩的抗震性能有明顯提高。橋梁總長(zhǎng)度對(duì)橋梁的地震反應(yīng)有顯著影響。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土橋墩；鋼箱梁橋；地震載荷；易損性文章編號(hào)：2095-4085（2024）10-0158-03

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著極其重要的作用，而地震對(duì)此類結(jié)構(gòu)的破壞可能導(dǎo)致交通系統(tǒng)中斷。易損性曲線是評(píng)估地震作用下土木結(jié)構(gòu)脆弱性的高效概率分析工具。許多研究已經(jīng)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和分析方法開(kāi)發(fā)出了適用于基礎(chǔ)設(shè)施的易損性曲線。經(jīng)驗(yàn)方法依賴大量歷史地震損傷數(shù)據(jù)的收集，而易損性曲線則能有效提煉這些數(shù)據(jù)，成為構(gòu)建典型分析模型的高效途徑。如譜分析、非線性pushover分析或非線性時(shí)程分析。非線性時(shí)程分析方法是最可靠的方法，通常用于研究結(jié)構(gòu)的易損性曲線，而連續(xù)鋼箱梁的不同參數(shù)對(duì)地震易損性影響的研究很少。本文從歷史地震事件中隨機(jī)選取了20個(gè)地震運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行加載，并根據(jù)損傷指數(shù)定義了輕微、中度、大面積和破壞等四種損傷狀態(tài)。不同的損傷狀態(tài)采用最大似然估計(jì)研究了橋墩高度、橋墩類型和橋梁總長(zhǎng)度對(duì)橋梁地震易損性的影響^［1］。

1 模型與載荷

1.1 鋼箱梁橋模型

本研究的橋梁類型是由單鋼筋混凝土橋墩支撐的鋼箱梁橋。易損性分析考慮了橋墩高度、橋墩橫截面類型和橋梁總長(zhǎng)度對(duì)鋼箱梁橋地震易損性的影響（見(jiàn)圖1）。所有工況設(shè)置橋梁的跨度為50m。不同橋墩高度的工況，選取橋墩高度分別為6.5m（H1）、9.5m（H2）和14.5m（H3）的三種鋼箱梁橋，見(jiàn)圖1（a）；不同橫截面類型的橋墩，選取了圓形、矩形及墻壁式等三種截面形式，見(jiàn)圖1（b）；不同橋梁總長(zhǎng)度的工況，橋梁總長(zhǎng)度分別為100m（L1）、200m（L2）和300m（L3）三種長(zhǎng)度，見(jiàn)圖1（c）。

1.2 材料模型

主要選取了有側(cè)限和無(wú)側(cè)限兩種混凝土的材料參數(shù)（見(jiàn)表1）。鋼筋作為加固材料，其材料參數(shù)（見(jiàn)表2）。這些材料模型都考慮了材料的非線性。

1.3 地震響應(yīng)譜

在本研究中從世界各地的地震運(yùn)動(dòng)中隨機(jī)選取了20個(gè)地面加速度記錄。地震運(yùn)動(dòng)記錄涵蓋了廣泛的地震情景和頻率內(nèi)容。地震運(yùn)動(dòng)的不確定性被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)概率地震評(píng)估的最大來(lái)源。下圖中所選的20個(gè)地震運(yùn)動(dòng)的加速度和位移響應(yīng)譜，粗線為平均響應(yīng)譜曲線（見(jiàn)圖2）。在考慮地震運(yùn)動(dòng)不確定性的情況下對(duì)橋墩脆性曲線進(jìn)行非線性時(shí)程曲線分析。具體步驟為：

（1）在OpenSees中建立橋梁的數(shù)值模型，其中包括材料和結(jié)構(gòu)非線性單元。

（2）在橋梁模型中加入一組地震運(yùn)動(dòng)，其中考慮了曲線中的峰值加速度。每個(gè)運(yùn)動(dòng)的峰值加速度變化范圍從0.1g的小強(qiáng)度到1.0g的大強(qiáng)度，然后得到橋墩的最大側(cè)向位移。

（3）根據(jù)位移比確定橋墩的損傷狀態(tài)。

（4）將所有地震運(yùn)動(dòng)和峰值加速度誘導(dǎo)的位移比與每個(gè)損傷狀態(tài)的閾值進(jìn)行比較，獲得在給定的峰值加速度上超過(guò)每個(gè)損傷狀態(tài)的數(shù)量。

（5）利用最大似然估計(jì)方法生成所有橋墩脆性曲線^［2］。

1.4 易損性的定義

橋墩對(duì)橋梁的承載能力起著重要的作用，橋墩的易損性會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的倒塌。本研究?jī)H側(cè)重于橋墩抗震性能的評(píng)估。易損性的表征基于地震易損函數(shù)指南和標(biāo)準(zhǔn)（ATC-40和FEMA-273）中提出的基于極限位移角的損傷狀態(tài)來(lái)評(píng)估橋梁柱的脆性曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 橋墩高度的影響

通過(guò)對(duì)不同損傷狀態(tài)的非線性時(shí)程曲線分析，結(jié)果表明，橋墩高的橋梁比橋墩短的橋梁更易發(fā)生損傷。這是由于具有相同橫截面的橋墩中，短墩的抗彎剛度大于高墩的抗彎剛度。因此，高墩的側(cè)向位移大于短墩的側(cè)向位移。需注意的是，H1和H3分別代表短墩和高墩。這表明在常規(guī)橋梁的抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐中不推薦采用較高的橋墩。然而，短墩的抗剪破壞細(xì)節(jié)應(yīng)慎重考慮^［3］。

2.2 橋墩類型的影響

不同橋墩的破壞可能性存在顯著差異。在三種橋墩類型中，墻壁式截面橋墩對(duì)地震荷載的影響最小，其次是矩形截面橋墩和圓形截面橋墩。對(duì)于較高的橋墩（H=14.5m），三種橋墩類型在輕微損傷狀態(tài)下的破壞可能性幾乎相同，且在輕微損傷狀態(tài)下，各橋墩類型之間的破壞可能性差異較小。這是由于墻壁式截面橋墩在橫向方向上的水平剛度明顯高于矩形截面橋墩和圓形截面橋墩。盡管對(duì)所有類型的橋墩采用相同的截面面積，但矩形截面橋墩和墻壁式截面橋墩的配筋量均有所增加。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，需要一個(gè)兼顧承載能力和成本的最優(yōu)解^［4］。

2.3 橋梁總長(zhǎng)度的影響

下圖中給出了不同橋梁總長(zhǎng)度在不同橋墩高度和橋墩類型下的易損性曲線（見(jiàn)圖3）。從易損性曲線可以看出，較長(zhǎng)的橋梁（L3）比較短的橋梁（L1）更脆弱。這是由于較長(zhǎng)的橋梁產(chǎn)生的自然周期和橋墩側(cè)向位移比較短的橋梁大。此外，所有橋墩高度均呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本文采用非線性時(shí)程分析方法，對(duì)一系列具有不同橋墩高度、橋墩類型和橋梁總長(zhǎng)度的連續(xù)鋼箱梁橋進(jìn)行了地震易損性分析。得出了以下結(jié)論。

（1）橋墩高的橋梁比橋墩短的橋梁更加脆弱。然而，在抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐中，橋墩短的抗剪破壞細(xì)節(jié)需要仔細(xì)考慮。

（2）不同類型橋墩的破壞可能性存在顯著差異。其中墻壁式截面橋墩受地震荷載影響最小，其次為矩形截面橋墩和圓形截面橋墩。

（3）較長(zhǎng)的橋梁比較短的橋梁更脆弱。

參考文獻(xiàn)：

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