基于概率性地震需求模型的橋梁易損性分析

鄭凱鋒，陳力波，莊衛(wèi)林，等

摘要：目的：橋梁地震易損性模型對于交通系統(tǒng)損失風險評估、橋梁抗震加固修復決策及地震后緊急應急方案完善等都具有非常重要的指導意義。本論文旨在針對汶川地區(qū)典型簡支梁橋，采用概率性地震需求分析方法，建立汶川地區(qū)典型簡支梁橋的分析型地震易損性模型。方法：首先介紹了汶川地區(qū)某典型簡支梁橋基本資料，詳細分析了包括主梁、支座、橋墩、帽梁、基礎、橋臺等橋梁主要構件的結構參數(shù)、材料本構及模擬方法，基于 OpenSees建立了橋梁結構的非線性有限元模型。選擇汶川地震實測記錄作為橋梁非線性動力分析的原始輸入地震波，對地震記錄分別進行了基準線校準、濾波和截斷修正。針對橋梁模型參數(shù)的不確定性進行分析，采用拉丁超立方抽樣方法對其進行抽樣并生成一系列橋梁的有限元模型樣本?；谇笆鲂拚蟮你氪ǖ卣饘崪y記錄對模型樣本進行非線性動力時程分析，同時記錄每一組分析中橋梁構件的地震峰值響應，建立橋梁主要構件的概率性地震需求模型。在確定了橋梁不同損傷狀態(tài)對應的構件極限狀態(tài)基礎上，依據(jù)對數(shù)正態(tài)分布假設基于此前建立的概率性地震需求模型，生成不同損傷狀態(tài)對應的橋梁構件地震易損性曲線，同時基于可靠度理論計算得到橋梁系統(tǒng)易損性的上下確界。結果：（1）依據(jù)概率性地震需求分析可知，地震動強度指標PGA與構件地震響應需求在對數(shù)空間下相關性并不理想，兩者最大相關系數(shù)為 0.731，因此有必要對不同地震動強度指標進行進一步的分析比較研究。（2）依據(jù)橋梁構件地震易損性分析可知，不同損傷狀態(tài)對應的各構件地震易損性差異較大。最易發(fā)生輕微破壞損傷狀態(tài)的橋梁構件為橋臺，對應的PGA中位值為0.1803 g；最易發(fā)生完全垮塌損傷狀態(tài)的橋梁構件為支座，對應的PGA中位值為0.9458 g。對于汶川地震典型簡支橋梁，其墩柱的地震易損性優(yōu)于其他兩種橋梁構件。（3）依據(jù)橋梁系統(tǒng)地震易損性分析可知，不同損傷狀態(tài)對應的橋梁構件地震易損性與橋梁系統(tǒng)易損性上下確界差異較大，總體而言系統(tǒng)易損性明顯高于構件易損性，因此如果單純采用橋梁構件（如墩柱）易損性作為橋梁系統(tǒng)的易損性刻畫會導致較大誤差。（4）采用一階邊界方法確定橋梁系統(tǒng)易損性的上下確界之間亦有較大差別，不同損傷狀態(tài)下兩者對應的PGA均值之間最大差異達到130%，因此可進一步采用Monte Carlo方法對系統(tǒng)易損性進行更為精確詳實的分析研究。結論：本文采用概率性地震需求分析方法，建立了橋梁主要構件地震響應需求與地震動強度之間的關系，在確定橋梁構件極限狀態(tài)基礎上，建立了不同損傷狀態(tài)對應的橋梁構件地震易損性模型，最后基于可靠度理論對橋梁系統(tǒng)地震易損性進行了分析。研究成果進一步揭示了橋梁動力學行為和地震響應機理，提升了橋梁地震易損性建模分析的精度和效率，可為后續(xù)該類型橋梁抗震評估及加固決策提供依據(jù)。

來源出版物：工程力學, 2013, 30(5): 165-171

入選年份：2017

薄鋼板PEC柱-鋼梁端板對拉螺栓連接滯回性能試驗研究

馬吉，方有珍，陸承鐸，等

摘要：目的：為了研究薄鋼板組合截面PEC柱—鋼梁連接中節(jié)點的抗震性能，本文通過對節(jié)點試件進行水平循環(huán)荷載下的滯回性能試驗，研究組合柱布置與梁削弱截面位置變化對其抗震性能的影響規(guī)律。方法：試件設計根據(jù)試件設計根據(jù)實際層高為3.6 m的框架底層中節(jié)點為原型，取上下柱反彎點高度0.625倍縮尺制作試件，其中鋼柱采取 Q235薄鋼板焊接組合截面(構件 S1A與S1C 的柱為同一柱）和I18工字鋼。鋼梁與端板連接采用手工焊；鋼梁端板與PEC柱采用8.8級 M18高強螺栓連接，混凝土初步設計值為C20。試驗加載方案：試件S1B以3 mm為初級，以后按3 mm遞增（最后兩級為9 mm），試件S1A、試件S1C以6 mm為加載級；試件S1B加載至99 mm，試件S1A加載至90 mm，試件S1C加載至72 mm，每級荷載采取2個循環(huán)；加載至試件承載力下降到極限承載力 85%或側移超過 3.5%作為試驗結束標志。結果：（1）荷載較小時，節(jié)點轉動變形主要來自于高強螺栓彈性變形，卸載時螺栓變形恢復，殘余變形極小，結構基本復位；隨著荷載的繼續(xù)，梁削弱截面處翼緣逐漸屈服并逐漸向腹板擴展，整個截面屈服后，節(jié)點轉動主要由梁削弱截面形成塑性鉸提供。（2）試件S1B為弱軸初始剛度最小，試件S1A和S1C十分接近，表明初始剛度對削弱截面位置并不敏感，而柱截面布置的是影響節(jié)點抗側剛度的關鍵因素。（3）試件S1A和S1B在峰值荷載前后有較長的水平屈服平臺，顯示試件具有較好延性和后期變形能力；試件S1C由于削弱截面的外移，導致節(jié)點剛度偏大和承載力有一定程度的提高，但由于梁與端板連接處焊縫缺陷導致過早斷裂使得試驗未繼續(xù)進行，而已有數(shù)據(jù)分析表明在焊縫確保質量條件下，應具有較好延性。（4）試件S1A由于其中梁削弱截面進入屈服較快，且較為充分，耗能相對最優(yōu)，試件SIB由于PEC柱采用弱軸布置，“強柱弱梁”要求滿足較S1A相對差，梁進入屈服延緩，但耗能較為充分；試件SIC雖然采用PEC柱強軸布置，但由于削弱截面外移，造成“強柱弱梁”要求滿足最差，較大程度延緩了梁進入屈服的進程，先期耗能最小。結論：由于薄鋼板組合截面 PEC 柱在節(jié)點部位連接加強板，增強了節(jié)點域范圍混凝土的約束作用，此外采用對拉螺栓連接，可以將梁受拉翼緣的拉力轉化為節(jié)點域的壓力，有效實現(xiàn)節(jié)點域混凝土壓力帶傳力機理，充分發(fā)揮了混凝土的抗壓性能，更有利于實現(xiàn)“強節(jié)點”的目標；削弱截面方式增設梁的薄弱面，有利于梁塑性鉸的形成，從而更好滿足抗震的“強柱弱梁”的要求，并充分發(fā)揮削弱部位的塑性耗能能力；連接部位梁柱抗彎剛度匹配對節(jié)點“強柱弱梁”條件是否滿足起關鍵作用，也相應控制了節(jié)點連接的耗能方式；節(jié)點的破壞模式為鋼梁削弱截面或連接部位附近截面屈服。

來源出版物：工程力學, 2013, 30(6): 107-115

入選年份：2017