劉昕玥，汪承志（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶　400074）

大型碼頭工程引橋連續(xù)梁地震易損性分析

劉昕玥，汪承志
（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074）

為評(píng)估西部地區(qū)一碼頭工程典型引橋連續(xù)梁的抗震性能，采用OpenSees軟件建立全橋模型并開(kāi)展了該橋的地震易損性分析。從中國(guó)地震局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)選取了100條汶川地震動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁模型進(jìn)行時(shí)程分析，獲得橋梁各構(gòu)件的最大動(dòng)力響應(yīng)，將響應(yīng)與地震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行概率地震需求分析，采用可靠度理論建立了引橋各構(gòu)件的易損性曲線。研究結(jié)果表明：引橋各橋墩具有較好的抗震性能；支座構(gòu)件容易發(fā)生輕微或中等損傷，建議采用減隔震支座降低地震損傷概率。

碼頭工程；引橋結(jié)構(gòu)；易損性；抗震能力

隨著中國(guó)內(nèi)陸水運(yùn)航業(yè)的飛速發(fā)展，西部地區(qū)大型港口碼頭工程不斷涌現(xiàn)。由于西部地區(qū)地形復(fù)雜，在建立大型碼頭、港口結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)配套設(shè)計(jì)相應(yīng)的引橋結(jié)構(gòu)，其引橋工程量往往較大。近年來(lái)西部地區(qū)地震活動(dòng)頻繁，這使得該地區(qū)碼頭引橋結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全也受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，因此，需要對(duì)該地區(qū)碼頭典型引橋結(jié)構(gòu)的抗震能力進(jìn)行研究。

隨著各國(guó)橋梁抗震分析方法的持續(xù)發(fā)展，地震易損性分析方法已經(jīng)成為評(píng)估橋梁抗震性能的主要方法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列的橋梁地震易損性研究。張菊輝［1］采用可靠度理論對(duì)典型公路連續(xù)梁開(kāi)展了易損性分析。馮杰［2］對(duì)公路等高墩5跨連續(xù)梁進(jìn)行了構(gòu)件和系統(tǒng)易損性分析。CHOI等［3］針對(duì)美國(guó)4種常見(jiàn)類型的簡(jiǎn)支梁橋開(kāi)展了地震易損性分析。但以上研究主要針對(duì)公路簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋，且各橋墩墩高相同，然而對(duì)于像實(shí)際碼頭工程引橋這類墩高相差較大的連續(xù)梁地震易損性研究較少。

本文以西部地區(qū)一在建大型港區(qū)碼頭工程引橋3跨（40+64+40）m連續(xù)梁為研究對(duì)象，建立了該橋各危險(xiǎn)構(gòu)件的易損性曲線，評(píng)估了構(gòu)件的抗震性能，并對(duì)各構(gòu)件的易損性排序進(jìn)行了研究。

1　地震易損性分析方法

首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)概率地震需求分析，獲得橋梁構(gòu)件地震需求與地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的回歸模型。CORNELL［4］研究表明在對(duì)數(shù)空間內(nèi)，地震需求與地震強(qiáng)度滿足線性關(guān)系，則橋梁構(gòu)件抗震需求中位值與地震動(dòng)強(qiáng)度IM的關(guān)系如下式

式中：Z～N（0，1）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)變量；ζ為橋梁結(jié)構(gòu)抗震需求的條件對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；參數(shù)A和B可以通過(guò)最小二乘法求解得到。

在易損性分析中線性回歸的方法［5］被普遍采用。在第i條地震動(dòng)作用下橋墩實(shí)際抗震需求值 Di與需求模型（式（1））預(yù)測(cè)值兩者殘差ei為

則橋梁結(jié)構(gòu)抗震需求的條件對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差ζ為

橋梁構(gòu)件抗震需求大于能力的條件概率為

式中：Pf為結(jié)構(gòu)地震損傷概率；D為橋梁構(gòu)件抗震需求值；C為橋梁構(gòu)件抗震能力值。

基于對(duì)數(shù)正態(tài)累計(jì)概率密度函數(shù)，可得到橋梁構(gòu)件易損性函數(shù)（KENNEDY［6］）如下

基于上述方法，便可開(kāi)展港區(qū)碼頭工程典型引橋連續(xù)梁橋的地震易損性分析。

2　引橋?qū)嵗治?/h2>

2.1工程概況及有限元模型

以西部地區(qū)一港區(qū)碼頭工程典型引橋連續(xù)梁（40 +60+40）m為例，見(jiàn)圖1，研究了這類引橋結(jié)構(gòu)的地震易損性。

引橋主梁為箱梁截面，主梁為C60混凝土，橋面寬15.5 m；橋墩為 C35混凝土，1#—4#墩墩高分別為12，21，24，17 m，2#墩為制動(dòng)墩，縱筋和箍筋均采用HRB335級(jí)，配箍率為0.85%；兩邊墩支座采用板式橡膠支座GJZ400×550×99 mm，中墩支座采用板式橡膠支座GJZ500×600×130 mm。

圖1　引橋三跨連續(xù)梁全橋示意（單位：cm）

采用專業(yè)抗震計(jì)算軟件OpenSees建立全橋模型，考慮自重和二期恒載。主梁采用彈性梁?jiǎn)卧M，橋墩采用基于柔度法的纖維單元模擬，利用 Kent-Scott-Park模型［7］（Concrete02材料）定義混凝土力學(xué)特性，采用Giuffre-Menegotto-Pinto模型［8-9］（Steel02材料）定義鋼筋的力學(xué)特性。對(duì)于支座的模擬，按文獻(xiàn)［10］第6.3.7節(jié)方法進(jìn)行模擬。

2.2地震動(dòng)選取

鑒于本文所研究的碼頭引橋結(jié)構(gòu)位于西部地區(qū)，在選取地震動(dòng)時(shí)應(yīng)盡可能選用該地區(qū)實(shí)測(cè)地震動(dòng)數(shù)據(jù)，使分析結(jié)果與實(shí)際情況更貼近。因此，本文選取汶川地震實(shí)測(cè)地震數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)展該引橋的地震易損性分析，基于此本文從國(guó)家地震局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中選出了100條汶川地震動(dòng)作為易損性分析的地震動(dòng)樣本庫(kù)。圖2給出了各地震動(dòng)的加速度反應(yīng)譜均值譜s和均值±1倍標(biāo)準(zhǔn)差σ反應(yīng)譜。

圖2　反應(yīng)頻譜特性（阻尼比ξ=0.05）

2.3引橋連續(xù)梁概率地震需求分析

為建立典型引橋連續(xù)梁各構(gòu)件易損性曲線，需要研究各構(gòu)件抗震需求與地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)間的相互關(guān)系，即開(kāi)展構(gòu)件地震需求分析。步驟如下：

1）首先基于2.2節(jié)從國(guó)家地震局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中選取的100組汶川地震動(dòng)，然后采用 IDA分析法［11］，將 100條地震動(dòng)分別調(diào)幅到10個(gè)不同的 PGA（Peak Ground Acceleration）強(qiáng)度，從0.1g至1.0g步長(zhǎng)為0.1g，一共組成1 000組地震動(dòng)樣本庫(kù)。

2）根據(jù)引橋連續(xù)梁自身設(shè)計(jì)參數(shù)，研究該橋材料（混凝土、鋼筋的強(qiáng)度和彈性模量）和構(gòu)件尺寸的不確定性，明確參數(shù)的分布特征，利用隨機(jī)抽樣方法，得到這些參數(shù)的橋梁樣本，建立橋梁樣本庫(kù)，包含1 000組橋梁分析樣本。

3）將地震動(dòng)樣本與橋梁樣本隨機(jī)配對(duì)，然后進(jìn)行時(shí)程分析，輸出各易損部位的最大動(dòng)力響應(yīng)，包含各橋墩的位移延性比μ和支座最大相對(duì)位移d。

4）將各構(gòu)件最大響應(yīng)與地震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，得到各構(gòu)件的需求模型。

按照上述步驟，對(duì)引橋連續(xù)梁各構(gòu)件進(jìn)行概率地震需求分析，便可得到各構(gòu)件的需求模型。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　橋梁各構(gòu)件概率地震需求模型

2.4地震易損性曲線的建立

在建立典型引橋連續(xù)梁地震易損性曲線之前，需要確定該橋各構(gòu)件的損傷指標(biāo)。對(duì)于橋墩構(gòu)件，綜合考慮該碼頭引橋連續(xù)梁的特點(diǎn)，并參考文獻(xiàn)［12］的研究結(jié)果，最終采用位移延性比作為墩柱損傷指標(biāo)。對(duì)于支座構(gòu)件，本文參考湖南大學(xué)李立峰等［13］的研究成果，確定了支座4種損傷狀態(tài)臨界值的計(jì)算方法，橋墩、支座損傷指標(biāo)臨界值計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2和表3。

基于2.3節(jié)得到的各構(gòu)件地震需求模型，結(jié)合各構(gòu)件損傷指標(biāo)臨界值，利用式（5）便可建立引橋連續(xù)梁各構(gòu)件地震易損性曲線，如圖3所示。

表2　各橋墩損傷指標(biāo)臨界值

表3　支座損傷指標(biāo)臨界值　mm

圖3　引橋連續(xù)梁各構(gòu)件易損性曲線

圖3給出了碼頭工程引橋各構(gòu)件的易損性曲線，分析表明：

1）對(duì)于各橋墩構(gòu)件，當(dāng)PGA為0.3g（抗震烈度為8度）時(shí)，2#墩（制動(dòng)墩）輕微損傷破壞概率為31%左右。其他橋墩輕微損傷破壞概率均＜10%，而在中等、嚴(yán)重和完全破壞狀態(tài)下，損傷概率幾乎為0，這說(shuō)明該連續(xù)梁橋各橋墩具有較好的抗震性能。該橋制動(dòng)墩在各橋墩中最容易發(fā)生地震破壞，由于在相同地震動(dòng)強(qiáng)度下制動(dòng)墩的破壞概率遠(yuǎn)大于其他橋墩，因此，本文建議采取減隔震措施來(lái)降低2#橋墩（制動(dòng)墩）的地震損傷概率。

2）對(duì)于支座構(gòu)件，在0.3g（抗震烈度為8度）時(shí)，4#墩支座輕微損傷概率為38.35%；中等損傷狀態(tài)的概率為13.41%；嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)的概率為1.66%；完全破壞時(shí)的概率幾乎為0。3#墩支座的輕微損傷概率為31.02%；中等損傷概率為9.57%，嚴(yán)重?fù)p傷的概率為3.62%，完全破壞的概率接近于0。1#墩支座的輕微損傷概率為7.95%，中等損傷的概率為1.32%，嚴(yán)重和完全破壞的概率均很小。這說(shuō)明連續(xù)梁橋各板式橡膠支座容易發(fā)生輕微、中等損傷。

為進(jìn)一步了解各構(gòu)件的易損排序情況，采用損傷概率為50%對(duì)應(yīng)的PGA（簡(jiǎn)稱PGA中位值）來(lái)表征構(gòu)件的易損性。即PGA中位值越小，則構(gòu)件越容易發(fā)生地震損傷破壞。圖4給出了輕微和中等損傷狀態(tài)下各構(gòu)件PGA中位值的對(duì)比柱狀圖。

圖4　各易損構(gòu)件PGA中位值柱狀

由圖4分析可知：對(duì)于輕微損傷，4#，3#墩支座PGA中位值最小，分別為0.35g和0.38g，說(shuō)明這2個(gè)橋墩支座最容易發(fā)生輕微地震損傷。其他構(gòu)件易損性排序：2#墩、3#墩、1#墩支座、4#墩、1#墩。對(duì)于中等損傷，2#墩（制動(dòng)墩）的PGA中位值最小，其值為0.52g。說(shuō)明2#墩最容易發(fā)生中等損傷。其他構(gòu)件易損性排序?yàn)椋?#墩支座、3#墩支座、3#墩、4#墩、1#墩。輕微、中等損傷狀態(tài)下的易損性排序結(jié)果略有不同。對(duì)于嚴(yán)重和完全破壞，其易損性排序與輕微損傷的排序結(jié)果相同。

3　結(jié)論

本文基于地震易損性分析方法，對(duì)西部地區(qū)一港區(qū)碼頭引橋連續(xù)梁橋開(kāi)展了易損性分析，主要研究結(jié)論如下：

1）該碼頭工程引橋連續(xù)梁橋墩柔性較好，在PGA ＜0.3g（抗震烈度為8度）地震作用下，制動(dòng)墩發(fā)生輕微破壞的概率低于30%，其他非制動(dòng)墩發(fā)生輕微損傷的概率均低于10%，各橋墩幾乎不發(fā)生嚴(yán)重和完全破壞，這說(shuō)明碼頭引橋各橋墩的抗震性能良好。

2）對(duì)比研究各構(gòu)件的易損性結(jié)果表明：在所有構(gòu)件中，支座構(gòu)件最容易發(fā)生輕微、嚴(yán)重、完全損傷；2#制動(dòng)墩最容易發(fā)生中等損傷，這說(shuō)明支座構(gòu)件是該橋中比較容易發(fā)生地震損傷的構(gòu)件。因此，為了提高碼頭引橋連續(xù)梁支座構(gòu)件的抗震能力，建議對(duì)該連續(xù)梁橋支座構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，采用減隔震支座來(lái)降低支座和制動(dòng)墩的地震破壞概率。

［1］張菊輝.基于數(shù)值模擬的規(guī)則梁橋墩柱的地震易損性分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

［2］馮杰.橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性分析研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［3］CHOI E S，DESROCHES R，NIELSON B.Seismic Fragility of Typical Bridges in Moderate Seismic Zones［J］.Engineering Structures，2004，26（2）：187-199.

［4］CORNELL A C，JALAYER F，HAMBURGER R O.Probabilistic Basis for 2000 SAC Federal Emergency Management Agency Steel Moment Frame Guidelines［J］.Structural Engineering，2002，128（4）：526-532.

［5］ZAREIAN F，KRAWINKLER H.Assessment of Probability of Collapse and Design for Collapse Safety［J］.Earthquake Engineering Structural Dynamics，2007，36（13）：1901-1914.

［6］KENNEDY R P，RAVINDRA M K.Seismic Fragilities for Nuclear Power Plant Studies［J］.Nuclear Engineering& Design，1984（79）：47-68.

［7］KENT D C，PARK R.Flexural Members with Confined Concrete［J］.Journal of the Structural Division，1971，97（7）：1969-1990.

［8］NIELSON BG.AnalyticalFragilityCurvesforHighway Bridges in Moderate Seismic Zones［D］.Atlanta：GA Georgia Institute of Technology，2005.

［9］肖明洋.高墩混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋地震易損性分析［D］.成都：西南交通大學(xué)，2013.

［10］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T B02-01—2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［11］吳文朋，李立峰，王連華，等.基于IDA的高墩大跨橋梁地震易損性分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2012，32（3）：117-123.

［12］葛勝錦，熊治華，翟敏剛，等.中小跨徑混凝土連續(xù)梁橋地震易損性研究［J］.公路交通科技，2013，30（7）：60-65.

［13］李立峰，吳文朋，黃佳梅，等.板式橡膠支座地震易損性分析［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，38（11）：1-6.

（責(zé)任審編趙其文）

Seismic Fragility Analysis for Continuous Girder of Approach Bridge for Large Wharf Project

LIU Xinyue，WANG Chengzhi
（School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

A bridge model was built to study the seismic fragility of a continuous girder of approach structure in a wharf project in West China using OpenSees software.A hundred Wenchuan earthquake motion records were selected from the database of Chinese Earthquake Research Center.Base on time-history analysis，the maximum dynamic response of each bridge member was obtained.Dynamic response and seismic strength were used for probabilistic seismic demand analysis.T he fragility curves were calculated based on reliability theory.T he results indicate that the piers of approach structure have better seismic performance.Bridge bearings suffer slight or moderate damage.Isolation bearing is advised to reduce the probability of seismic damage.

W harf project；Approach structure；Fragility；Seismic capacity

U442.5+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.09

1003-1995（2016）08-0039-04

2016-04-07；

2016-05-30

國(guó)家科學(xué)自然基金（90715042）；西部交通科技項(xiàng)目（2009328222101）

劉昕玥（1992— ），女，碩士研究生。