摘要：本文依托山東省臨臨高速公路工程某連續(xù)梁橋，考慮全聯(lián)板式橡膠支座和聯(lián)端四氟滑板支座聯(lián)內(nèi)板式橡膠支座兩種支座布置方案，建立非線性有限元模型，采用IDA法分析橋墩和支座易損性。結(jié)果表明，對于全聯(lián)板式橡膠支座的布置方案，橋梁結(jié)構(gòu)的易損性由墩柱控制，其中邊墩比中墩更容易發(fā)生損傷；聯(lián)端采用四氟滑板支座后，可以有效降低邊墩的損傷概率，橋梁結(jié)構(gòu)易損性轉(zhuǎn)由支座控制，特別是聯(lián)端四氟滑板式支座，應(yīng)根據(jù)實際位移需求選擇合適型號且輔以限位措施。

關(guān)鍵詞：高速公路連續(xù)梁橋；地震易損性；板式橡膠支座；四氟滑板支座

中圖分類號：U448.215""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）S1?0151?09

Vulnerability Analysis of Highway Continuous Girder Bridges in Highly Seismic Region

ZHANG Yu LI Xianzhong JING Yuefei TIAN li

（1. School of Civil Engineering， Shandong University， Jinan Shandong 250061， China; 2. Shandong High?speed Engineering Construction Group Co.， LTD.， Jinan Shandong 250000， China）

Abstract： Based on a continuous beam bridge from Linzi to Linyi Highway project， nonlinear finite element models were established to analyze the vulnerability of piers and supports by IDA method. This study explores two different bearing layout schemes：one uses elastomeric pad bearings for the whole bridge， the other places teflon slide bearings at the ends of the bridge and elastomeric pad bearings within the bridge. The results show that， for the layout scheme with elastomeric pad bearings across the whole bridge， the vulnerability of the bridge is controlled by the piers， with the side piers being more susceptible to damage compared to the middle piers. By incorporating teflon slide bearings at the ends， the damage probability of the side piers can be effectively reduced， and the vulnerability of the bridge is controlled by the bearings， especially the teflon slide bearings. It is crucial to select the appropriate type of teflon slide bearing based on the actual displacement requirements， and complement it with limiting measures.

Key words： highway continuous bridge; seismic vulnerability; elastomeric pad bearing; teflon slide bearing

0 引言

地震是地殼在地震作用下突然放出能量所引起的地震波在地表發(fā)生振動的自然現(xiàn)象。中國是世界上地震活動強烈和地震災害嚴重的國家之一，有近1/3以上的國土位于Ⅶ度以上的高地震烈度區(qū)[1，2]。高速公路橋梁是重要的交通生命線，地震作用下一旦出現(xiàn)破壞或坍塌極易導致交通中斷而影響災區(qū)地震后的救援。地震易損性是從概率角度來反映地震強度和結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)內(nèi)某個部件破壞程度的關(guān)系，能夠識別結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，是評估結(jié)構(gòu)抗震性能好壞的手段，對降低橋梁地震損傷具有重要理論意義和參考價值[3]。

大量震害表明，地震作用下，橋墩和支座受力較大，相較于上部結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生破壞，是典型的易損構(gòu)件，見圖1（a）和圖1（b）所示。

長久以來，針對連續(xù)梁橋的抗震性能研究一直是國內(nèi)外研究的熱點。20世紀70年代，地震易損性分析理論被國外學者首次提出，用來對美國核電站工程結(jié)構(gòu)進行地震概率風險評估，之后于90年代逐漸被應(yīng)用于橋梁抗震。Yamazaki等[4]統(tǒng)計了Kobe地震中216座高速公路橋梁的損傷數(shù)據(jù)，采用Kriging技術(shù)評估地震動強度參數(shù)的空間分布并與實際震害進行比較，以建立經(jīng)驗易損性曲線。2008年汶川地震后，陳力波等[5]基于汶川地震橋梁震害調(diào)查，建立了橋梁地震易損性的統(tǒng)計模型，以評估汶川地區(qū)公路橋梁系統(tǒng)的地震損失風險。Hwang等[6]針對缺乏橋梁實際震害的地區(qū)，采用位移延性比作為橋墩損傷指標，給出了建立公路橋梁地震易損性曲線的方法。李立峰等[7]對地震作用下中等跨徑RC連續(xù)梁橋系統(tǒng)易損性開展系統(tǒng)研究，得到了橋墩、橋臺和支座的易損性曲線，并運用聯(lián)合失效概率方法研究了結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)易損性。張秉哲等[8]以臨猗黃河大橋主橋高墩長聯(lián)組合梁橋為背景，研究不同支座形式對高墩長聯(lián)組合梁橋地震響應(yīng)的影響。孫銳等[9]以某一連續(xù)梁橋為依托工程，研究了不同減隔震支座設(shè)置對各構(gòu)件易損性曲線變化的影響。張宇等[10]對橋梁結(jié)構(gòu)的簡化建模方法進行了探討，研究了基于梁單元的梁格和空間網(wǎng)格模型，解構(gòu)橋梁的空間效應(yīng)，為精細化分析提供了支撐。張海君等[11]對震后橋梁的破壞特征進行分析，特別是對地震引發(fā)的上、下部結(jié)構(gòu)及震后次生災害引起的橋梁損壞，得出了相應(yīng)的抗震措施的建議。沈林白等[12]采用機器學習理念，通過搭建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對地震動力響應(yīng)的需求結(jié)果進行擬合，快速評估構(gòu)建鐵路橋墩震損?傷。

本文以臨臨高速公路工程高烈度區(qū)某（40＋40＋ 40）m連續(xù)T梁橋為工程背景，針對工程建設(shè)常用的兩種支座布置方案，考慮臨聯(lián)相互作用、橋墩彈塑性受力以及樁土相互作用，建立了非線性動力有限元模型，并對橋梁結(jié)構(gòu)進行了地震易損性分析。

1 高速公路連續(xù)梁橋工程概況及有限元模型建立

1.1 工程概況

本文依托臨臨高速公路工程，部分路段瀕臨我國東部最大的地震帶?郯廬地震帶，屬高烈度區(qū)，地震動峰值加速度為0.15g，地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.4s，按《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B01—2013），抗震設(shè)防烈度應(yīng)提高一度，即按8度設(shè)防。本文選取其中一聯(lián)預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進行有限元建模分析，跨徑布置為（40＋40＋40）m，橋墩編號為4#～7#，如圖2所示。該橋上部結(jié)構(gòu)采用預應(yīng)力混凝土T梁，橋面寬度為16.5m，梁高2.5m，采用先簡支后連續(xù)施工，如圖3所示。橋墩采用圓柱式墩，墩長21m，柱中和柱底各設(shè)一道系梁進行橫向連接。基礎(chǔ)采用樁柱基礎(chǔ)，樁長18m。梁體采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土，樁基礎(chǔ)采用C30混凝土。本文考慮兩種支座布置方案，分別為全聯(lián)板式橡膠支座和聯(lián)端設(shè)四氟滑板支座＋聯(lián)內(nèi)板式橡膠支座兩種。

1.2 有限元模型建立

本文采用Midas Civil建立連續(xù)梁橋非線性有限元模型，如圖4所示，全橋共計995個節(jié)點和1"204個單元，墩柱沿X軸方向依次是4#～7#墩。

橋梁上部結(jié)構(gòu)在地震作用下應(yīng)力較小，因此采用線彈性梁柱單元模擬，并進行梁格劃分。橋墩作為易損構(gòu)件，采用纖維梁單元以考慮橋墩的彈塑性行為，并模擬墩底塑性鉸的形成，墩柱混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Mander[13]模型，鋼筋結(jié)構(gòu)采用Menegotto and Pinto模型[14]，如圖5所示。樁基礎(chǔ)考慮樁土相互作用對結(jié)構(gòu)的影響，采用雙向分布彈簧模型模擬。橋梁結(jié)構(gòu)阻尼的模擬采用瑞利阻尼（Rayleigh）模型。

大量的試驗結(jié)果表明，板式橡膠支座水平剪力?位移曲線呈狹長型，基本沒有耗能能力，因此可近似作線性處理，如圖6（a）所示，在有限元模型中采用一般連接中的彈性連接模擬。四氟滑板支座主要利用聚四氟乙烯與不銹鋼之間的低摩阻系數(shù)特性產(chǎn)生“自由”滑動，其水平恢復力模型可簡化為雙線性滯回模型，如圖6（b）所示，在有限元模型中采用一般連接中所提供的滯后系統(tǒng)來模擬?？紤]臨聯(lián)對該聯(lián)橋的相互作用，將臨聯(lián)主梁簡化為集中質(zhì)量并通過一般連接（模擬支座）與分聯(lián)處橋墩蓋梁連接。

1. 地震動輸入

地震動輸入對橋梁非線性時程分析結(jié)果影響較大，地震波的選取需與場地特性相符合，其中目標反應(yīng)譜是比較綜合也是與結(jié)構(gòu)設(shè)計最緊密相關(guān)的一個特性，也是本文選波的依據(jù)。首先根據(jù)橋址地震設(shè)防烈度、地震分組以及場地土類別等主要參數(shù)，確定需要匹配的目標反應(yīng)譜，然后篩選與目標反應(yīng)譜匹配且與控制參數(shù)吻合的地震波。本文從太平洋地震工程研究中心（PEER）強震數(shù)據(jù)庫中選取15條地震波，地震波記錄信息如表1所示。

本文所篩選出的地震波反應(yīng)譜與目標反應(yīng)譜對比圖如圖7所示。因為地震波很難整個反應(yīng)譜范圍均與目標反應(yīng)譜吻合，因此一般控制結(jié)構(gòu)主要周期范圍內(nèi)地震波反應(yīng)譜與目標反應(yīng)譜不要相差過大，特別是前三階周期我國規(guī)范規(guī)定不大于20%。

下文采用IDA法進行易損性分析，選用峰值加速度PGA作為地震動強度指標，調(diào)整每條地震波的PGA幅值，使峰值加速度PGA由0.1g逐一調(diào)整至1.2g，增幅為0.1g，共180條地震波。一般情況下，在地震作用時橋梁結(jié)構(gòu)順橋向的破壞更為嚴重，對橋梁的破壞起主要作用，因此，本文在進行非線性時程分析時只考慮順橋向的地震動輸入對結(jié)構(gòu)的影響。

2 橋梁結(jié)構(gòu)損傷指標與易損性分析方法

2.1 連續(xù)梁橋損傷指標

地震作用下，高速公路橋梁橋墩和支座相對于其他部位更易損壞。對于混凝土橋墩，在地震作用下發(fā)生的破壞主要是彎曲破壞，因此可選用位移延性比作為衡量橋墩損傷狀態(tài)的指標，即

2.2 易損性分析方法

3 橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性分析

橋梁的地震易損性分析通常用地震易損性曲線來描述。易損性曲線是一種結(jié)構(gòu)在不同地震動強度下發(fā)生破壞概率的連線，可以直接看出結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的概率隨地震動強度的變化規(guī)律。本部分在上文損傷指標的基礎(chǔ)上，通過IDA法來繪制橋梁構(gòu)件的易損性曲線，將地震波依次輸入連續(xù)梁橋有限元模型進行非線性時程分析，得到結(jié)構(gòu)在每個地震動強度下的墩頂最大位移、支座相對位移，并計算橋墩和支座在不同破壞狀態(tài)下的損傷概率。

3.1 墩柱易損性曲線

圖8～圖11分別為兩種支座布置方案下的各橋墩易損性曲線。

由圖8～圖11可知：

（１）全橋采用板式橡膠支座時，邊墩相較于中墩更容易發(fā)生損傷。例如，4#、5#、6#、7#墩發(fā)生輕微損傷的超越概率為50%時，對應(yīng)的PGA分別為0.56g、0.60g、0.60g、0.55g，發(fā)生中等損傷的超越概率為50%時，PGA分別為0.75g、0.80g、0.81g、0.74g。這主要是因為地震作用下邊墩受相鄰聯(lián)的作用，承擔的地震力更大。

（２）聯(lián)端采用四氟滑板支座后，邊墩的易損性大大降低，在各損傷等級下中墩均更容易發(fā)生損傷。例如，在地震峰值加速度PGA＝0.4g時，中墩5#、6#墩發(fā)生輕微損傷的概率分別為31.1%和31.2%，而邊墩4#、7#墩發(fā)生輕微損傷的概率分別為0.96%和1.1%。這主要是因為四氟滑板支座摩阻系數(shù)低，地震作用下上部結(jié)構(gòu)傳遞至橋墩的地震力大大降低，從而起到了一定的隔震作用。

3.2 支座易損性曲線

圖12～圖15分別為兩種支座布置方案下的各支座易損性曲線。

由圖12～圖15可知：

（１）對于全聯(lián)采用板式橡膠支座的布置方案，中墩支座相較于邊墩支座更容易發(fā)生損傷。例如，PGA＝1g時，4#、5#、6#、7#墩支座發(fā)生輕微損傷的超越概率分別為11.4%、96.6%、96.5%、8.7%，發(fā)生中等損傷的超越概率為0.06%、35.8%、35.7%、0.03%。

（２）聯(lián)端采用四氟滑板支座后，邊墩支座的損傷概率無論在何種地震動強度下均遠高于中墩支座的損傷概率。例如，當PGA＝0.4g時，邊墩4#、7#墩的四氟滑板式支座發(fā)生完全損傷的概率分別為57.75%和57.76%；而中墩5#、6#墩的板式橡膠支座發(fā)生輕微損傷的概率分別為8.89%和8.87%。這是由于四氟滑板支座摩阻系數(shù)低，地震作用下容易發(fā)生較大相對位移，實際中應(yīng)輔以錨栓等構(gòu)造限位措施。

4 結(jié)論

本文考慮該連續(xù)T梁橋全聯(lián)板式橡膠支座和聯(lián)端增設(shè)四氟滑板支座兩種支座布置方案，建立了非線性有限元模型，定義并計算了墩柱和支座的損傷指標，并對其進行了地震易損性分析。主要結(jié)論如下：

（１）對于全聯(lián)采用板式橡膠支座的布置方案，橋梁結(jié)構(gòu)的易損性由墩柱控制，在各損傷等級下，墩柱發(fā)生損傷的概率均大于支座，其中，受鄰聯(lián)相互作用，邊墩比中墩更容易發(fā)生損傷。

（２）對于聯(lián)端采用四氟滑板支座聯(lián)內(nèi)采用板式橡膠支座的布置方案，邊墩易損性大幅度地下降且小于中墩。橋梁結(jié)構(gòu)的易損性由支座控制，其中邊墩支座的損傷概率無論在何種地震動強度下均遠高于中墩支座的損傷概率，表明四氟滑板支座更易發(fā)生破?壞。

（３）相較于全聯(lián)采用板式橡膠支座的布置方案，聯(lián)端采用四氟滑板支座后，對邊墩起到一定的隔震作用，大幅降低了邊墩易損性，但中墩易損性略有增加。聯(lián)端四氟滑板式支座后，所有支座的損傷概率相較于全聯(lián)板式橡膠支座時均有所提高，特別是聯(lián)端四氟滑板式支座，非常容易出現(xiàn)較大程度的損傷，實際中應(yīng)注意輔以錨栓等限位措施改善支座的易損性。

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