范振華 張謝東 張 行

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1） 武漢 430063） （內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司2） 呼和浩特 010010）

0 引 言

橋梁結(jié)構(gòu)在強震下倒塌破壞是造成生命財產(chǎn)損失的主要原因.因此保證強震作用下結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力一直是基于性能的地震工程的核心目標(biāo).強震作用下結(jié)構(gòu)的倒塌破壞機制和抗倒塌能力受地震動參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的影響，目前評價強震作用下結(jié)構(gòu)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(nèi)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(qū)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(zhuǎn)動延性定義了損傷狀態(tài)，對鋼筋混凝土橋梁的概率、統(tǒng)計和力學(xué)易損性模型進(jìn)行了綜合研究.Howard Hwang等［4］將能力與需求之比作為損傷指標(biāo)，通過易損性曲線對孟菲斯幾類橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷狀況進(jìn)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(jié)構(gòu)構(gòu)件和系統(tǒng)能力的影響.Y.Pan等［6］研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)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(qū)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(xù)鋼橋考慮土體破壞對橋－土－基礎(chǔ)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(biāo)研究了規(guī)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(biāo)，研究了某連續(xù)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(gòu)橋發(fā)展迅速，是當(dāng)前橋梁工程的重要前沿.目前有關(guān)超高墩剛構(gòu)橋的倒塌易損性分析成為亟待解決的重要課題，本文根據(jù)高聳結(jié)構(gòu)在地震作用下倒塌機理提出了超高墩剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)倒塌破壞的判別準(zhǔn)則和倒塌易損性分析方法，并結(jié)合工程實例研究了結(jié)構(gòu)劣化對其倒塌易損性的影響.

1 超高墩剛構(gòu)橋倒塌易損性分析方法

1.1 本文提出的超高墩剛構(gòu)橋倒塌判別準(zhǔn)則

倒塌易損性分析的關(guān)鍵在于建立合理的倒塌判別準(zhǔn)則.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對高聳結(jié)構(gòu)的地震需求進(jìn)行了一些有益研究［12］，焦馳宇［13］以截面曲率作為損傷指標(biāo)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(guī)律和地震易損性規(guī)律.張凱等［14］以截面轉(zhuǎn)角作為損傷指標(biāo)建立了某高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的易損性曲線，并進(jìn)行了地震風(fēng)險分析.鄭成龍等［15］以塑性鉸的曲率延性作為損傷指標(biāo)，研究了北盤江斜腿剛構(gòu)橋的地震易損性.應(yīng)變指標(biāo)屬于材料層面的物理量，能直觀描述高墩進(jìn)入彈塑性階段時的損傷狀態(tài)，谷音等［16］采用應(yīng)變作為墩柱損傷指標(biāo)，對一墩高為60m的高墩大跨徑剛構(gòu)橋進(jìn)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(fù)雜性，目前仍沒有廣泛認(rèn)可的高墩高塔結(jié)構(gòu)的損傷破壞準(zhǔn)則.高墩高塔結(jié)構(gòu)在某些地震激勵下高階振型引起的地震反應(yīng)顯著，因而可能出現(xiàn)多個塑性鉸［17］，有可能在墩身中部達(dá)到極限狀態(tài)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌［18］，結(jié)構(gòu)倒塌時可能由高階振型控制，不一定產(chǎn)生顯著的側(cè)移.

結(jié)構(gòu)的倒塌模式通常分為豎向倒塌和側(cè)向倒塌兩種.豎向倒塌主要是由于結(jié)構(gòu)中承重構(gòu)件喪失承載力退出工作，而引起結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌；側(cè)向倒塌主要是由于結(jié)構(gòu)的側(cè)向塑性變形過大，導(dǎo)致抗側(cè)強度或剛度發(fā)生較大退化而引起的側(cè)向承載力喪失.實際的震害統(tǒng)計表明結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生倒塌破壞的第一階段是側(cè)向倒塌，隨后即進(jìn)入豎向倒塌過程.研究表明高聳結(jié)構(gòu)倒塌時可能由高階振型控制，不一定產(chǎn)生顯著的側(cè)移.根據(jù)結(jié)構(gòu)倒塌破壞的這一機理，可以認(rèn)為當(dāng)結(jié)構(gòu)的豎向位移大幅增加而不再回到平衡位置時結(jié)構(gòu)發(fā)生了倒塌破壞.對于超高墩剛構(gòu)橋，墩頂節(jié)點的豎向位移能反映結(jié)構(gòu)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(jié)點的豎向位移選為特征響應(yīng).據(jù)此提出本文的倒塌判別準(zhǔn)則為：當(dāng)結(jié)構(gòu)的豎向位移劇增不再回到平衡位置時即認(rèn)為發(fā)生了倒塌破壞.

1.2 倒塌易損性分析方法

結(jié)構(gòu)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(fā)生倒塌的概率.按照如下步驟進(jìn)行.

1）建立考慮非線性特性的結(jié)構(gòu)模型.

2）按照結(jié)構(gòu)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(biāo)IM（intensity measure）對所選地震記錄進(jìn)行歸一化處理.

3）在某一地震動強度下，對結(jié)構(gòu)輸入上述地震記錄進(jìn)行非線性性動力時程分析，根據(jù)所提出的倒塌判斷準(zhǔn)則判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生倒塌破壞，記下結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的地震動數(shù)（記為Ncollapse），從而得到該地震動強度下結(jié)構(gòu)的倒塌概率（Ncollapse／Ntotal）.

4）單調(diào)增加地震動強度IM，重復(fù)上一步驟，得到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自身的離散性較小，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)見圖2.

圖2 地震記錄放大系數(shù)

地震記錄調(diào)幅選用較為常用的比例調(diào)整法，即對選用的地震波加速度峰值按比例進(jìn)行放大或縮小.該方法不改變地震記錄的頻譜特性，僅調(diào)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(biāo)，每條地震記錄的峰值加速度按比例調(diào)整從0.05 g到0.9 g，有效峰值加速度（PGA）的調(diào)幅為0.05 g等間距遞增，直至結(jié)構(gòu)倒塌.

2 算例分析

某預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋，主梁采用106m＋3×200m＋106m懸臂澆筑連續(xù)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(shè)有系梁.

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)布置圖（單位：m）

經(jīng)過計算，得到23條地震記錄作用下的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)響應(yīng)差別很大23條地震記錄的計算結(jié)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(jié)構(gòu)倒塌易損性曲線見圖5.

圖4 原結(jié)構(gòu)IDA曲線

圖5 原結(jié)構(gòu)倒塌易損性曲線

隨著周圍環(huán)境的作用和使用年限的增加，橋梁結(jié)構(gòu)在服役過程中不可避免的存在不同程度的損傷或者結(jié)構(gòu)性能劣化，諸如鋼筋銹蝕、混凝土順筋脹裂、保護(hù)層剝落破壞等現(xiàn)象.這些劣化會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的能力和剛度的退化，一旦發(fā)生地震，可能會使得現(xiàn)有的能力無法保證結(jié)構(gòu)在預(yù)期的壽命期內(nèi)完成其抗震功能.目而目前有關(guān)在役橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能研究，大多都未考慮結(jié)構(gòu)在已服役期間結(jié)構(gòu)劣化，其實質(zhì)是擬建結(jié)構(gòu)的抗震性能評估.本文考慮了如下4種劣化情況對結(jié)構(gòu)倒塌易損性的影響：（1）混凝土保護(hù)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(jié)果見圖6.

圖6 結(jié)構(gòu)劣化對倒塌易損性的影響

由圖6可見，劣化對結(jié)構(gòu)倒塌易損性影響較大，如0.4g的地震作用下原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，倒塌的風(fēng)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(jié)構(gòu)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(jié)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(shù)之間的關(guān)系，本文提出了超高墩剛構(gòu)橋的倒塌判別準(zhǔn)則，并研究了劣化對超高墩剛構(gòu)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(gòu)橋倒塌易損性的影響.研究表明，地震動強度越大，結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的概率越大，且劣化對結(jié)構(gòu)倒塌易損性影響較大.

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