張永亮,劉聰聰,虞廬松,朱光增
(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070)
地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析的3 大內(nèi)容為地震危險(xiǎn)性分析、地震易損性分析和地震災(zāi)害損失估計(jì),其中地震易損性分析是至關(guān)重要的一環(huán)[1]。地震易損性分析是一種基于概率的結(jié)構(gòu)抗震性能評估方法,與傳統(tǒng)的確定性方法相比,該方法可對結(jié)構(gòu)在其生命周期內(nèi)不同水平的地震動(dòng)下發(fā)生不同損傷的可能性進(jìn)行評估,且具有更全面的評價(jià)結(jié)果,尤其適用于構(gòu)件眾多、易損部位及其破壞模式無法直接判斷的高墩、大跨復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2-3]分別對高速鐵路橋梁90 m 高圓形斜坡式空心墩與剛構(gòu)-連續(xù)梁橋中的93 m 矩形空心墩進(jìn)行了地震易損性分析。文獻(xiàn)[4]以3 跨無推力體系的中承式鋼管混凝土拱橋?yàn)榈湫蜆蛄簶颖?,評估了拱肋、支座、吊桿、系桿及基礎(chǔ)的地震易損性。文獻(xiàn)[5]以飛燕式鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉ο?,建立了近斷層地震?dòng)與非近斷層地震動(dòng)的易損曲線。文獻(xiàn)[6]對橫向減震體系的中承式大跨度鋼桁架拱橋的邊墩進(jìn)行了地震易損性分析。
外形優(yōu)美、跨越能力大的鋼桁拱橋是廣泛采用的一種大跨橋梁形式。大跨度鋼桁拱橋構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)件種類與數(shù)量眾多,因此地震反應(yīng)也非常復(fù)雜,主要體現(xiàn)在易損部位不明確、高階振型、多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)以及拱圈動(dòng)力穩(wěn)定性等特殊問題上[7-9]。文獻(xiàn)[10]通過增量動(dòng)力分析(IDA)研究了1 座上承式鋼桁架拱橋在多維地震作用下的損傷演化過程。文獻(xiàn)[11-13]分別以主跨490 m 鐵路有推力鋼桁拱橋、南京大勝關(guān)長江大橋(108+192+2×336+192+108) m(連續(xù)鋼桁架拱)、新光大橋(177+428+177) m(飛雁式鋼箱桁架拱橋)為研究對象,得出了行波效應(yīng)對大跨鋼桁拱橋地震反應(yīng)影響顯著的結(jié)論。
從檢索到的文獻(xiàn)看,因地震易損性分析可從概率角度定量地描述地震動(dòng)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)破壞程度之間的關(guān)系,已逐漸應(yīng)用于高墩、大跨復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗震性能評估,但對大跨有推力上承式鋼桁拱橋的抗震性能評估研究較少。
本文以某主跨為490 m 的大跨有推力上承式鋼桁拱橋?yàn)檠芯繉ο螅康匮芯啃胁ㄐ?yīng)對上承式鋼桁拱橋典型構(gòu)件的易損部位、損傷數(shù)量以及損傷程度的影響規(guī)律。
結(jié)構(gòu)地震易損性曲線可通過經(jīng)驗(yàn)法、試驗(yàn)法和理論分析法等得到。對于大跨徑橋梁結(jié)構(gòu),理論分析法往往是得到其地震易損性曲線的唯一可行方法。結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震動(dòng)作用下發(fā)生某一損傷狀態(tài)的超越概率可表示為
式中:D 為結(jié)構(gòu)地震需求;C 為結(jié)構(gòu)能力;IM為地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù),一般采用地震動(dòng)峰值加速度(PGA)或地震動(dòng)譜加速度。
上式涉及3 個(gè)參數(shù):需求、能力以及地震動(dòng)強(qiáng)度。其中,對于結(jié)構(gòu)的地震需求分析,目前應(yīng)用最廣泛也是最準(zhǔn)確的方法是非線性時(shí)程分析。考慮材料非線性的行波效應(yīng)計(jì)算方法主要有大質(zhì)量法(LMM)和位移輸入法(DM)。LMM 需釋放結(jié)構(gòu)支撐處的縱向線位移,但是對于有推力拱橋,釋放該約束后,將導(dǎo)致恒載作用效應(yīng)(包括自重及二期恒載)無法分析。所以DM 是實(shí)現(xiàn)考慮行波效應(yīng)的有推力拱橋地震易損性分析的有效方法,該方法可有效繼承恒載作用下的結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力狀態(tài)。
文獻(xiàn)[14]論證了DM 在分析大跨結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)的可行性及分析精度。結(jié)構(gòu)在行波效應(yīng)下的運(yùn)動(dòng)方程可由分塊矩陣表達(dá)為
式中:Mss,Mbb,Css,Cbb,Kss和Kbb分別為結(jié)構(gòu)非支撐節(jié)點(diǎn)與支撐節(jié)點(diǎn)的分塊質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣及剛度矩陣;Msb,Mbs,Csb,Cbs,Ksb和Kbs分別為非支撐節(jié)點(diǎn)與支撐節(jié)點(diǎn)的耦合質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣及剛度矩陣;和Ub分別為橋梁支撐節(jié)點(diǎn)的絕對加速度、絕對速度和絕對位移;和Us分別為橋梁非支撐節(jié)點(diǎn)的絕對加速度、絕對速度和絕對位移;Fb為地震引起的外荷載矩陣。
將式(2)第1行展開得到方程為
公路橋梁不僅是在普通的道路上建筑,有些還要在惡劣的環(huán)境下施工,很多的施工過程中會(huì)遇到急速的河流、峽谷以及山川等艱難的環(huán)境,這些環(huán)境的影響也使施工更具難度。
若采用集中質(zhì)量矩陣時(shí),Msb為零矩陣;另外一般情況下阻尼矩陣Csb很難確定,因此阻尼力-Csb常常被忽略,式(3)可改寫為DM 的最終表達(dá)式為
理論地震易損性曲線假設(shè)結(jié)構(gòu)的地震需求和能力均服從對數(shù)正態(tài)分布[15]。地震需求可通過IDA獲得,然后將地震需求除以各級損傷狀態(tài)特征值計(jì)算能力需求比,最后通過曲線擬合法對能力需求比進(jìn)行曲線擬合,具體分析過程如下。
(1)根據(jù)場地特征選擇多條強(qiáng)地震動(dòng)記錄(通常不少于15條),確定地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù),本文選取PGA。
(2)采用1 組調(diào)幅系數(shù)調(diào)整地震動(dòng)的PGA,使每條地震動(dòng)的PGA從0.1g(g為重力加速度)變化到1.0g(或>1.0g),增量一般取0.1g。
(3)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行系列非線性時(shí)程反應(yīng)分析,根據(jù)結(jié)構(gòu)特征計(jì)算相應(yīng)的地震需求反應(yīng)。
(4)確定構(gòu)件的損傷指標(biāo)及損傷狀態(tài)特征值,計(jì)算地震需求與各級損傷狀態(tài)特征值的比值,將其與相應(yīng)的地震強(qiáng)度繪在對數(shù)坐標(biāo)系中,得到結(jié)構(gòu)IDA曲線。
(5)利用上述IDA 曲線,得到回歸均值λ和標(biāo)準(zhǔn)差σ,計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下發(fā)生某一損傷狀態(tài)的超越概率Pf值。以IM為橫軸,Pf為縱軸,即可繪制構(gòu)件易損性曲線。具體公式如下。
式中:a,b,c 為二次多項(xiàng)式回歸參數(shù);Sr為各離散點(diǎn)對于回歸曲線的殘差平方和;n 為離散點(diǎn)個(gè)數(shù);Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分布函數(shù)。
以圖1 所示計(jì)算跨度為490 m 的某大跨度上承式鐵路鋼桁拱橋?yàn)檠芯繉ο蟆T摌驗(yàn)橛型屏Y(jié)構(gòu)體系,拱肋內(nèi)傾3.65°形成提籃拱。主拱圈由4 片桁拱組成,每2片組成1肋,2片桁拱間距3.4 m,并通過橫桿連成整體。拱圈上設(shè)置13 個(gè)立柱,拱上立柱由剛架墩,柱頂橫梁、立柱及其柱間橫梁組成。拱上立柱及拱肋弦桿均采用帶肋鋼箱截面,上、下弦桿采用高、寬均為2.0 m 的變厚度帶肋鋼箱截面。上部梁體為鋼箱梁,每側(cè)相鄰2 個(gè)鋼箱通過正交異性鋼橋面板、橫梁和橫肋形成分離式雙主鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式。從左到右按1#-7#對拱上立柱進(jìn)行編號,其中5#-7#拱上立柱設(shè)中間立柱。交界墩采用C35 混凝土;拱肋弦桿、腹桿采用Q370qE 鋼材;其余構(gòu)件采用Q345qE 鋼材或Q345qD 鋼材。橋址區(qū)工程場地類別為Ⅱ類,罕遇地震動(dòng)峰值加速度為0.5g (2 475 a 一遇),場地特征周期為0.45 s。
圖1 鋼桁拱橋(單位:m)
圖2 有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型
2.3.1 強(qiáng)震記錄
為充分考慮實(shí)際地震動(dòng)的隨機(jī)性,以規(guī)范[16]規(guī)定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為目標(biāo)譜,從美國太平洋地震工程研究中心(PEER)數(shù)據(jù)庫中選取15條地震記錄組(包括15 條水平地震記錄及相應(yīng)的15 條垂向地震記錄),每條地震記錄組均包括加速度、速度及位移時(shí)程。采用縱向+垂向組合的雙向地震動(dòng)激勵(lì)模式,垂向與縱向地震動(dòng)峰值加速度的比值范圍為0.47~1.19,均值為0.79。實(shí)際地震記錄的平均反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對比如圖3 所示,將加速度時(shí)程對應(yīng)的位移時(shí)程作為地震動(dòng)輸入。
圖3 實(shí)際地震記錄的平均反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜
2.3.2 最不利視波速
視波速是行波效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響的重要參數(shù)。文獻(xiàn)[11]以本橋?yàn)檠芯繉ο?,討論? 種視波速對該橋地震反應(yīng)的影響規(guī)律,結(jié)果表明當(dāng)視波速為700~1 000 m·s-1時(shí)對結(jié)構(gòu)最不利。為了便于考察行波效應(yīng)對鋼桁拱橋地震易損性的影響規(guī)律,本文也進(jìn)行了一致激勵(lì)下的地震易損性分析??紤]到計(jì)算量較大,后續(xù)計(jì)算時(shí)視波速直接取其最不利值1 000 m·s-1。一致激勵(lì)與行波激勵(lì)下,15條地震記錄的縱向及垂向地震動(dòng)峰值加速度進(jìn)行雙向同比例調(diào)幅,縱向地震動(dòng)峰值加速度在0.1g~1.0g變化,增量0.1g,共計(jì)300個(gè)分析工況。
2.3.3 構(gòu)件損傷評價(jià)指標(biāo)及各級損傷狀態(tài)特征值
位移、曲率及應(yīng)變是常用的損傷評價(jià)指標(biāo),但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜受高階振型影響顯著的大跨鋼桁拱橋,一般只能采用反映構(gòu)件局部損傷的應(yīng)變作為其評價(jià)指標(biāo),文獻(xiàn)[10,17]均采用最大應(yīng)變作為鋼管的損傷評價(jià)指標(biāo)。下文采用文獻(xiàn)[17]的研究成果,將構(gòu)件損傷狀態(tài)劃分為3種,各級損傷狀態(tài)特征值為:輕微損傷,εy<ε ≤2εy;中等損傷,2εy<ε ≤8.4εy;嚴(yán)重?fù)p傷,ε >8.4εy;其中,? 為地震激勵(lì)引起的構(gòu)件某一截面纖維點(diǎn)的最大應(yīng)變,εy為鋼材的屈服應(yīng)變。
易損性分析時(shí)地震動(dòng)峰值加速度的最大值取1.0g,考慮因素如下:對于大跨徑拱橋,歐洲規(guī)范[18]指出在恒載和設(shè)計(jì)地震作用下,拱橋的軸壓比較高,塑性鉸區(qū)的延性設(shè)計(jì)可能不可靠,應(yīng)盡量保持彈性。本橋在罕遇地震動(dòng)峰值加速度0.5g 作用下,結(jié)構(gòu)各桿件基本處于彈性狀態(tài)。為了研究結(jié)構(gòu)的損傷歷程及損傷狀態(tài),后續(xù)分析時(shí)地震動(dòng)峰值加速度的最大值取為1.0g。
大量的地震記錄表明,不僅不同場地上的地震波差別很大,就是在同一場地上且震級、震中距相近,但非同一次地震的地震波也不相同,準(zhǔn)確預(yù)測某個(gè)場地未來的地震過程,目前還無法實(shí)現(xiàn)。盡管時(shí)程反應(yīng)分析法是一種比較準(zhǔn)確的動(dòng)力分析方法,但是其準(zhǔn)確性僅是針對某一條確定的地震波而言的。對于不同的地震波,結(jié)構(gòu)反應(yīng)的差別很大。因此對時(shí)程反應(yīng)分析法進(jìn)行多波統(tǒng)計(jì)分析意義重大。對大跨鋼桁拱橋輸入15 條強(qiáng)震記錄,且均將其調(diào)幅至1.0g,同時(shí)進(jìn)行一致激勵(lì)與行波效應(yīng)激勵(lì)分析。因不同地震動(dòng)及不同的激勵(lì)方式引起構(gòu)件的損傷數(shù)量和位置均不相同,為了剔除每條地震動(dòng)引起結(jié)構(gòu)損傷構(gòu)件的個(gè)性表現(xiàn),定義在同一激勵(lì)模式下,15 條地震記錄中均發(fā)生損傷的構(gòu)件稱之為易損構(gòu)件(即共同損傷構(gòu)件)。一致、行波激勵(lì)下結(jié)構(gòu)易損構(gòu)件的位置和數(shù)量如圖4—圖6 所示,圖中彩色加粗區(qū)域?yàn)橐讚p構(gòu)件。
圖4 一致、行波激勵(lì)下結(jié)構(gòu)易損構(gòu)件分布
圖5 內(nèi)外側(cè)易損構(gòu)件數(shù)量對比圖
圖6 不同構(gòu)件易損構(gòu)件數(shù)量對比圖
由圖4—圖6可以得到如下結(jié)果。
(1)拱頂區(qū)域與拱上立柱相交處的上弦桿為易損構(gòu)件,而與之對應(yīng)的下弦桿不是易損構(gòu)件。與一致激勵(lì)相比,行波激勵(lì)下拱肋上弦桿的易損部位增加,在拱肋L/4和3L/4(L為梁的跨度)附近區(qū)域的上弦桿也變?yōu)橐讚p構(gòu)件。
(2)行波激勵(lì)下拱肋上弦桿的易損構(gòu)件數(shù)量顯著增加,且內(nèi)側(cè)桁架上弦桿的易損構(gòu)件數(shù)量明顯大于外側(cè)的。上弦桿易損構(gòu)件在行波、一致激勵(lì)下分別為22 和10 個(gè)。行波激勵(lì)下內(nèi)、外側(cè)弦桿易損構(gòu)件分別為13和9個(gè),而一致激勵(lì)下僅為8和2個(gè)。
(3)行波、一致激勵(lì)下立柱的易損構(gòu)件均為拱頂短立柱,且內(nèi)側(cè)立柱的易損構(gòu)件數(shù)量明顯大于外側(cè)的,但行波效應(yīng)對立柱易損構(gòu)件的影響沒有拱肋上弦桿明顯。行波、一致激勵(lì)下立柱易損構(gòu)件的數(shù)量分別為14 個(gè)(內(nèi)側(cè)10 個(gè)、外側(cè)4 個(gè))和12 個(gè)(內(nèi)側(cè)8個(gè)、外側(cè)4個(gè))。
取易損構(gòu)件數(shù)量較多、具有代表性的拱頂區(qū)域內(nèi)側(cè)立柱及拱肋上弦桿為研究對象,立柱及上弦桿的編號分別為C1-C4,U1-U4,如圖4(a)所示。行波及一致激勵(lì)下,累計(jì)完成300 個(gè)分析工況,根據(jù)各易損構(gòu)件的滯回曲線提取2 400 個(gè)最大應(yīng)變數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)除以各級損傷狀態(tài)特征值,擬合成結(jié)構(gòu)地震需求比對數(shù)IDA 曲線,進(jìn)而得到構(gòu)件易損性曲線。將輕微、中等、嚴(yán)重?fù)p傷的超越概率依次記為Pf1,Pf2和Pf3。為了更直觀的體現(xiàn)行波效應(yīng)對易損構(gòu)件損傷超越概率的影響,繪制2 種激勵(lì)方式下的損傷超越概率差值曲線ΔPfi(i=1,2,3)。ΔPfi定義為:對同一構(gòu)件,行波激勵(lì)下的Pfi值減去一致激勵(lì)下的Pfi值。將輕微、中等、嚴(yán)重?fù)p傷的損傷超越概率差值依次記為ΔPf1,ΔPf2和ΔPf3。
拱上立柱易損構(gòu)件的易損性曲線及損傷超越概率差值曲線如圖7—圖12所示。
圖7 立柱輕微損傷易損性曲線
圖8 立柱輕微損傷差值曲線
圖9 立柱中等損傷易損性曲線
圖10 立柱中等損傷差值曲線
圖11 立柱嚴(yán)重?fù)p傷易損性曲線
圖12 立柱嚴(yán)重?fù)p傷差值曲線
由圖7—圖12可以得到如下結(jié)果。
(1)立柱輕微損傷超越概率差值曲線有正有負(fù),但中等、嚴(yán)重?fù)p傷超越概率差值曲線絕大多數(shù)為負(fù)值。從總體上看,考慮行波效應(yīng)的影響后,將顯著減小拱上立柱的損傷超越概率,即行波效應(yīng)對拱上立柱的受力有利。
(2)行波激勵(lì)對C2 立柱的損傷超越概率影響最顯著。在罕遇地震(0.5g)行波激勵(lì)下Pf1,Pf2分別為17%和0,而對應(yīng)的一致激勵(lì)下分別為79%和31%,各減小了62%和31%。
(3)在PGA 為1.0g 的一致地震激勵(lì)下,C1,C2 立柱的Pf3最大,分別為8%和49%,但在行波激勵(lì)下以上立柱均未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷,表明在強(qiáng)地震動(dòng)作用(PGA 為0.5g~1.0g)下,拱上立柱可能處于輕微、中等及嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)。因拱上立柱為次要構(gòu)件,強(qiáng)地震作用下允許其進(jìn)入一定的損傷狀態(tài),利用其滯回耗能減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),這是符合大跨度拱橋概念設(shè)計(jì)的。
(4)隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增加,拱上立柱ΔPf1,ΔPf2曲線均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,也即當(dāng)?shù)卣饎?dòng)強(qiáng)度增大至一定量值后,易損構(gòu)件的損傷超越概率受地震動(dòng)激勵(lì)方式的影響減弱。每條曲線均存在地震動(dòng)強(qiáng)度影響敏感區(qū)域,輕微、中等損傷的影響敏感區(qū)域分別為0.4g~0.8g和0.6g~0.9g。
2 種激勵(lì)模式下拱肋上弦桿均未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷,以下僅給出易損構(gòu)件的輕微及中等損傷時(shí)的易損性曲線及概率差值曲線,如圖13—圖16所示。
圖13 上弦桿輕微損傷易損性曲線
圖14 上弦桿輕微損傷差值曲線
圖15 上弦桿中等損傷易損性曲線
圖16 上弦桿中等損傷差值曲線
由圖13—圖16可以得到如下結(jié)果。
(1)行波效應(yīng)對U1-U4 弦桿處于輕微損傷狀態(tài)時(shí)的超越概率影響明顯。U1-U4 弦桿的ΔPf1絕大多數(shù)為正值,說明行波效應(yīng)將增加拱肋上弦桿Pf1值,一致激勵(lì)模式可能會(huì)低估拱肋上弦桿易損構(gòu)件輕微損傷超越概率。
(2)行波效應(yīng)對U1-U4 弦桿處于中等損傷狀態(tài)超越概率影響顯著。一致激勵(lì)下即使PGA 為1.0g時(shí)U1-U3弦桿也未出現(xiàn)中等損傷,但在對應(yīng)的行波激勵(lì)下,以上構(gòu)件均出現(xiàn)了較大概率的中等損傷。表明在該狀態(tài)下,若僅采用一致激勵(lì)模式評估拱肋弦桿的易損性可能會(huì)嚴(yán)重低估拱肋上弦桿易損構(gòu)件中等損傷超越概率。當(dāng)PGA 為1.0g 時(shí),一致激勵(lì)下U4 弦桿Pf2最大,約為15%,U1-U3 弦桿Pf2接近0。但行波激勵(lì)下U1-U4 弦桿Pf2分別為80%,17%,27%和45%。
(3)在罕遇地震(0.5g)作用下,U1和U4弦桿對于行波激勵(lì)的輕微損傷超越概率分別為73%和47%,對應(yīng)一致激勵(lì)下分別為20%和37%,中等損傷超越概率分別為3%和0,對應(yīng)的一致激勵(lì)均為0。罕遇地震下拱肋弦桿基本保持在彈性或處于輕微損傷狀態(tài),表明本橋拱肋設(shè)計(jì)是符合大跨度拱橋的抗震設(shè)計(jì)理念。
(1)2 種激勵(lì)模式下拱頂區(qū)域與拱上立柱相交處的上弦桿均為易損構(gòu)件。與一致激勵(lì)相比,行波激勵(lì)下拱肋上弦桿易損構(gòu)件總數(shù)量由10 個(gè)增加至22 個(gè),內(nèi)、外側(cè)上弦桿數(shù)量分別由8 和2 個(gè)增加至13 和9 個(gè)。行波激勵(lì)下拱肋上弦桿的易損部位增加,在拱肋1/4 和3/4 附近區(qū)域的上弦桿也變?yōu)橐讚p構(gòu)件。
(2)2 種激勵(lì)模式下立柱的易損構(gòu)件均為拱頂短立柱,且內(nèi)側(cè)立柱的易損構(gòu)件數(shù)量明顯多于外側(cè)的。
(3)從總體上看,考慮行波效應(yīng)將減小拱上立柱的損傷超越概率。
(4)行波效應(yīng)對拱頂區(qū)域上弦桿易損構(gòu)件的中等損傷超越概率影響顯著,一致激勵(lì)可能會(huì)明顯低估其超越概率值。一致激勵(lì)下即使PGA 為1.0g 時(shí)U1-U3 弦桿也未出現(xiàn)中等損傷,但在對應(yīng)的行波激勵(lì)下以上構(gòu)件均出現(xiàn)了較大概率的中等損傷。建議對大跨度鋼桁拱橋地震易損性分析時(shí)應(yīng)合理考慮行波效應(yīng)的影響。
(5)罕遇地震下拱肋弦桿基本處于彈性或輕微損傷狀態(tài),拱上立柱處于輕微或中等損傷狀態(tài),表明本橋設(shè)計(jì)符合大跨度拱橋的概念設(shè)計(jì)。