軌道交通高架橋預(yù)制拼裝橋墩的地震易損性分析

葛 寧， 陳 浩， 章 群， 卓為頂， 王 序

（1.南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210008； 2.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210017； 3.中建八局第三建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210023； 4.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167； 5.東南大學(xué)，南京 211189）

1 概 述

研究推廣橋梁的制拼裝技術(shù)，符合國(guó)家低碳、綠色的發(fā)展方向。與現(xiàn)澆橋墩相比，預(yù)制拼裝橋墩具有工廠化制造、快速施工、現(xiàn)場(chǎng)干擾少、成品質(zhì)量易于保證等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，目前已在公路和市政橋梁建設(shè)中逐步得到推廣應(yīng)用，但在城市軌道交通中使用尚少。在南京地鐵寧句城際軌道交通車輛段試車線下部結(jié)構(gòu)建造中，通過研究首次采用了預(yù)制拼裝混凝土橋墩，如圖1所示。

圖1 南京寧句軌道交通中的預(yù)制拼裝橋墩

橋梁抗震的設(shè)防重點(diǎn)在于橋墩抗震，橋墩的破壞或倒塌會(huì)影響生命線工程暢通，可能會(huì)帶來(lái)更大的次生災(zāi)害。與公路交通網(wǎng)相比，城際軌道高架橋線路具有線性連通的特點(diǎn)，一旦軌道交通橋梁發(fā)生震害，必將危及全線運(yùn)營(yíng)安全。預(yù)制拼裝橋墩是將墩柱與蓋梁分成若預(yù)制單元進(jìn)行拼裝，與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆橋墩相比，拼裝接縫面的不連續(xù)性是橋墩構(gòu)造中的薄弱環(huán)節(jié)，因此，若將預(yù)制拼裝橋墩應(yīng)用于重要軌道交通線路或中高烈度區(qū)的橋梁時(shí)，須對(duì)其抗震性能進(jìn)行研究。

本文以寧句城際軌道預(yù)制拼裝橋墩為背景，開展了預(yù)制拼裝橋墩的地震易損性研究，對(duì)于交通生命線工程和橋梁抗震減災(zāi)具有重要意義。

2 橋墩的地震易損性分析方法

2.1 地震易損性分析一般步驟

鑒于地震動(dòng)及其強(qiáng)度的不確定性，目前已發(fā)展了多種基于概率的結(jié)構(gòu)易損性評(píng)估方法。在不同強(qiáng)度地震作用下，可以從橋墩結(jié)構(gòu)發(fā)生各種破壞狀態(tài)的概率方面，定量地刻畫結(jié)構(gòu)的抗震性能。地震易損性分析可以給出結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震下發(fā)生各級(jí)破壞的概率，因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析，可改進(jìn)設(shè)計(jì)以提高橋梁抗震能力，或用于震災(zāi)程度預(yù)測(cè)。

結(jié)構(gòu)地震易損性通常采用易損性系數(shù)、破壞概率矩陣或易損性曲線來(lái)表示。本文提出橋墩的地震易損性曲線評(píng)價(jià)方法，其分析基本原理如圖2所示。

圖2 預(yù)制拼裝橋墩的地震易損性分析流程

2.2 地震波選擇

寧句城際軌道交通預(yù)制橋梁所在場(chǎng)地為II類場(chǎng)地土，按7度抗震設(shè)防。為此，需選擇合適的地震波，并按照相關(guān)要求進(jìn)行波形調(diào)制，作為地震輸入的激勵(lì)，是橋墩非線性分析的主要難點(diǎn)之一。鑒于美國(guó)太平洋地震工程研究中心（PEER）的地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄非常豐富及其開放性，為世界各國(guó)學(xué)者研究中公用［3-4］。

根據(jù)ASCE7-10（2010）標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)滿足以下要求：1）所選地震動(dòng)應(yīng)與場(chǎng)地特征保持一致；2）選取的地震動(dòng)記錄的平均值擬合反應(yīng)譜應(yīng)在0.2T～1.5T之間，T為結(jié)構(gòu)的自振周期；3）應(yīng)選擇震級(jí)大于5.5的記錄。根據(jù)橋位所處的場(chǎng)地特點(diǎn)，選取了距斷層大于30 km的20條地震動(dòng)記錄，地震震級(jí)、斷層距離和加速度反應(yīng)譜如圖3所示。

圖3 選定的地震波及其基本特征

動(dòng)力增量時(shí)程分析已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震和易損性分析［5-6］。在本研究中，所選擇地震波的峰值加速度（PGA）需按一定比例進(jìn)行調(diào)制，比例因子λ可定義為：

式中ψ為目標(biāo)地震波的峰值加速度，可取0.1g，0.3g，0.5g，0.8g，1.0g；Amax為所選地震波的峰值加速度。

2.3 橋墩地震易損函數(shù)

在橋墩易損性分析中，將特定地震波下計(jì)算得到的位移響應(yīng)記為ln(SD)=ln(a)+bln(IM)，也稱地震工程需求參數(shù)EDPs，其均值服從對(duì)數(shù)正態(tài)概率分布［7-8］：

式中a和b為回歸系數(shù)，IM為地震動(dòng)強(qiáng)度。

下面采用動(dòng)力增量時(shí)程分析研究一些未知參數(shù)。由于峰值地面加速度（PGA）是結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要影響參數(shù)，故可選擇峰值地面加速度作為地震動(dòng)強(qiáng)度（IM）來(lái)描述地震動(dòng)，用不同峰值地面加速度（PGA）水平下的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)概率表示橋墩結(jié)構(gòu)的地震易損性。橋墩的地震易損函數(shù)可表述為：

式中LS為橋墩損傷極限狀態(tài)；Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；SC，βC分別為承載力的中值和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；βD|IM為地震響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)基本統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行評(píng)價(jià)：

式中N為數(shù)值仿真的地震波數(shù)量，SD，i為對(duì)應(yīng)某條地震波的橋墩地震位移響應(yīng)。

2.4 損傷極限狀態(tài)定義

本研究將地震期間所獲得的最大位移延性μ作為易損性評(píng)估的參數(shù)，位移延性μ定義為墩頂極限位移與屈服位移之比。定義了4種極限（損傷）狀態(tài)（LS），用于定量評(píng)價(jià)每個(gè)橋墩的損傷狀態(tài)：輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和完全失效，如表1所示。

表1 易損性評(píng)估參數(shù)與橋墩損傷極限狀態(tài)

橋墩承載力采用公式（3）中均值SC和離散度βC的雙參數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布來(lái)描述。不確定性的表征與每個(gè)極限狀態(tài)相關(guān)，給每個(gè)損傷狀態(tài)賦值變異系數(shù)（COV）。Ramanathan等［9］認(rèn)為，對(duì)于輕微損傷和中等損傷狀態(tài)，COV值（0.25）較小，而對(duì)于嚴(yán)重?fù)p傷和完全失效狀態(tài)，COV值（0.45）較大，離散度βC可表示為：

3 預(yù)制混凝土橋墩的地震易損性分析

3.1 寧句城軌橋墩的結(jié)構(gòu)抗震分析模型

本文以南京地鐵寧句城際軌道交通車輛段試車線的預(yù)制拼裝橋墩為背景（如圖4所示），該實(shí)際工程的橋墩高度為10 m，跨度有26 m和28 m兩種。鑒于城市軌道交通橋跨結(jié)構(gòu)的剛度及質(zhì)量分布較為均勻，可以將橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)自由度體系進(jìn)行分析［10］。

圖4 南京寧句城軌試車線橋梁結(jié)構(gòu)及分析模型

3.2 橋墩的擬靜力試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為分析和驗(yàn)證寧句城軌預(yù)制拼裝橋墩結(jié)構(gòu)的地震易損性，在試驗(yàn)研究中設(shè)計(jì)了一組縮尺比例的混凝土橋墩，先開展結(jié)構(gòu)的易損性分析，然后再與擬靜力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。理論分析和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，參照了寧句城軌車輛段試車線的橋墩參數(shù)，設(shè)計(jì)了4個(gè)縮尺比約為1∶3的橋墩試件，尺寸、配筋率及預(yù)應(yīng)力等參數(shù)如表2所示，包括現(xiàn)澆橋墩、預(yù)制拼裝橋墩和預(yù)應(yīng)力預(yù)制橋墩三種類型，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。預(yù)制橋墩均采用灌漿套筒連接，根據(jù)配筋率相等原則進(jìn)行鋼筋設(shè)計(jì)，預(yù)應(yīng)力預(yù)制橋墩沿墩柱中心線位置設(shè)置有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。

表2 混凝土橋墩試件的主要參數(shù)

墩帽尺寸為0.7 m×0.7 m×0.6 m，墩柱尺寸為0.56 m×0.56 m×2.2 m，承臺(tái)尺寸為1.5 m×0.9 m×0.6 m。墩柱縱筋為12根Φ16 mm，為HRB400鋼筋，截面配筋率為0.78%。塑性鉸區(qū)的箍筋采用Φ8 mm@40 mm，為HPB300鋼筋，箍筋的體積配筋率為0.83%。試件PPC-1和PPC-2的豎向預(yù)應(yīng)力分別采用4根、8根Φ15.2 mm鋼絞線，采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋形式。橋墩有效加載高度為2.60 m，橋墩的高寬比（H/W）為4.64。

3.3 基于PGA的橋墩易損性函數(shù)計(jì)算

將地震期間所獲得的最大位移延性μ作為主要研究參數(shù)，位移延性大則意味著橋墩的地震易損性小，反之則大。建立各橋墩的概率地震需求模型（PSDM），采用美國(guó)加州太平洋抗震中心的OpenSees軟件進(jìn)行抗震分析，理論計(jì)算所得的峰值地面加速度（PGA）與位移延性的對(duì)數(shù)關(guān)系如圖5所示，離散系數(shù)R2都是高于0.70，可以認(rèn)為地震工程需求參數(shù)（EDP）與地震動(dòng)強(qiáng)度（IM）的對(duì)數(shù)，幾乎與呈線性關(guān)系。

圖5 峰值地面加速度與位移延性的對(duì)數(shù)關(guān)系

4 橋墩的地震易損性評(píng)估

4.1 基于易損性曲線的損傷評(píng)估

為了進(jìn)行動(dòng)力增量時(shí)程分析，將地震波都被按比例調(diào)制為相同的峰值地面加速度，這樣就可以在基于概率地震需求模型（PSDM）中生成足夠的數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)應(yīng)不同的地震強(qiáng)度等級(jí)?？紤]將位移延性作為地震工程需求參數(shù)（EDP），并結(jié)合表1中的橋墩損傷狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的均值和離散度，給出各損傷狀態(tài)下的試驗(yàn)橋墩易損性曲線，如圖6所示。

圖6 考慮位移延性四種損傷狀態(tài)下橋墩易損性曲線

從圖6可以看出，若考慮位移延性需求，在4個(gè)試件中橋墩PRC最可能產(chǎn)生地震損傷。結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的預(yù)制墩體剛度降低，會(huì)導(dǎo)致其基本周期的增加。因此，橋墩PRC更容易損傷。另一方面，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋對(duì)提高預(yù)制橋墩的剛度有較大作用。因此，與橋墩CIP相比，橋墩PPC-1和PPC-2的易損性較小。以設(shè)計(jì)地震事件時(shí)的損傷概率為例，即50年內(nèi)的超越概率為2%（重現(xiàn)期為2475年），設(shè)計(jì)事件的地震峰值地面加速度取0.325g時(shí)，橋墩CIP、橋墩PRC、橋墩PPC-1和橋墩PPC-2產(chǎn)生輕微損傷的概率分別為90.3%，97.9%，53.9%和10%，如圖6（a）所示。在相同地震動(dòng)條件下，橋墩CIP產(chǎn)生中等損傷和嚴(yán)重?fù)p傷的概率分別為83.7%和60.3%，橋墩PRC的相應(yīng)概率分別為95.6%和80.3%，橋墩PPC-1的相應(yīng)概率分別為41.9%和24.3%，橋墩PPC-2的相應(yīng)概率分別為5.5%和3.1%，如圖6（b）和圖6（c）所示。此外，從圖6（d）可以看出，橋墩PPC-2的預(yù)應(yīng)力軸壓比最大，在強(qiáng)烈地震下更容易生存。

4.2 橋墩的擬靜力試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證寧句城軌預(yù)制拼裝橋墩的抗震性能，按照表2所列的主要參數(shù)制作了4個(gè)混凝土橋墩試件，開展現(xiàn)澆橋墩、預(yù)制拼裝橋墩和預(yù)應(yīng)力預(yù)制橋墩的擬靜力抗震性能試驗(yàn)研究，橋墩采用位移控制的加載方法，每一位移幅下水平加載3個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)裝置及加載制度如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)裝置和加載制度

4個(gè)混凝土橋墩的屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)、極限點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位移和推力等主要參數(shù)，如表3所示，對(duì)橋墩的位移延性進(jìn)行了計(jì)算。

表3 橋墩的性能參數(shù)對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，橋墩PRC在屈服推力、峰值推力、極限位移與橋墩CIP墩基本相似，而預(yù)應(yīng)力筋有效提高了預(yù)制橋墩的強(qiáng)度和延性?？梢钥闯?，預(yù)應(yīng)力軸壓比為5%時(shí)，橋墩PPC-1屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度和極限位移，比橋墩CIP分別提高了46.7%，48.9%和32.7%。預(yù)應(yīng)力軸壓比為10%時(shí)，橋墩PPC-2屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度和極限位移等性能得到了進(jìn)一步提高，比橋墩CIP分別提高了69.1%，70.4%和57.6%。試驗(yàn)研究結(jié)果，與圖6所示的考慮位移延性四種損傷狀態(tài)下4種混凝土橋墩抗震易損性理論評(píng)估的結(jié)果是高度一致的。

5 結(jié) 論

將預(yù)制拼裝橋墩應(yīng)用于城市軌道交通橋梁，符合綠色低碳的橋梁建設(shè)理念，但對(duì)其抗震性能需進(jìn)行定量化評(píng)估。本文依托南京地鐵寧句城際軌道交通高架橋，對(duì)預(yù)制拼裝橋墩的地震易損性進(jìn)行了分析研究，主要結(jié)論如下：

（1）提出了預(yù)制拼裝橋墩的地震易損性評(píng)估方法，選取位移延性指標(biāo)作為易損性評(píng)估的主要參數(shù)，定義了4種極限損傷狀態(tài)（輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和完全失效），用于定量評(píng)價(jià)每個(gè)橋墩的損傷狀態(tài)。

（2）建立地震需求模型，選取多條典型地震波，對(duì)4種混凝土橋墩的地震易損性進(jìn)行理論研究?？紤]位移延性影響，給出各損傷狀態(tài)下的橋墩易損性曲線。

（3）試驗(yàn)及理論研究表明，普通預(yù)制橋墩相對(duì)于現(xiàn)澆橋墩，在屈服推力、峰值推力、極限位移等方面基本相似，位移延性有所降低。對(duì)于采用預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)制橋墩，在屈服推力、峰值推力、極限位移和位移延性方面，具有顯著的提升。

（4）當(dāng)預(yù)制橋墩應(yīng)用在中高烈度區(qū)時(shí)，采用預(yù)應(yīng)力筋是值得優(yōu)先考慮的選擇。