簡支梁橋地震災(zāi)害情景推演

陳 龍,李 舒,張翼飛

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.清華大學(xué) 合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601;3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230051)

2016年,中國地震局頒布了“大中城市地震災(zāi)害情景構(gòu)建”重點專項,針對北京、上海、沈陽、大同、昭通五個典型區(qū)域展開地震災(zāi)害場景與應(yīng)急對策的建立,為提高城市應(yīng)急準備能力給予信息支持。我國是地震多發(fā)國家,近年來,破壞性發(fā)生時間短的地震災(zāi)害事件頻發(fā)。目前地震應(yīng)急處置工作都是一項世界性難題,傳統(tǒng)的“預(yù)測-應(yīng)對”推演模式有待發(fā)展,基于情景依賴性,一種新的推演模式“情景-應(yīng)對”產(chǎn)生[1]。橋梁是生命線工程的重要組成部分,一旦遭到地震破壞,不僅會對交通以及經(jīng)濟造成巨大損失,而且還會阻礙災(zāi)后展開的救援與重建工作[2-3]。隨著交通運輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展,各種結(jié)構(gòu)形式的橋梁不斷涌現(xiàn)出來[4],簡支梁橋作為中小跨度橋梁使用最為廣泛的橋型,相比于其他橋型,多跨簡支梁橋在破壞性地震中更易發(fā)生破壞、坍塌,這一點已被地震震害統(tǒng)計所證實,因此針對其進行情景推演研究具有重要的現(xiàn)實意義[5-6]。

諸多中外學(xué)者對災(zāi)害事件的情景推演展開了研究和總結(jié),張磊[7]等對泥石流災(zāi)害系統(tǒng)運用知識元網(wǎng)絡(luò)進行易損性評估;李仕明[8]等對知識元,應(yīng)急情景和突發(fā)事件關(guān)系進行結(jié)構(gòu)化表述,并基于知識元理論對洪水災(zāi)害進行了實例的情景表達和推演;王喆[9]等結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對城鎮(zhèn)洪澇進行了情景推演;GaoS[10]等以新型病毒疫情為例基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行了傳染病疫情的情景推演;Shi L[11]等提出三種情景推演模型對鐵路突發(fā)事件過程進行推導(dǎo),得出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對于情景推演效果更好。但是他們依賴于歷史的災(zāi)害數(shù)據(jù),對于有的地區(qū)災(zāi)害數(shù)據(jù)統(tǒng)計較少的則無法實現(xiàn)情景推演;并且目前對于簡支梁橋方面的地震災(zāi)害情景推演的研究并未細致地展開。

為了更好地描述地震情景推演以及場景倒塌復(fù)現(xiàn),本文提出了一種簡支梁橋地震災(zāi)害情景推演,首先提取簡支梁橋災(zāi)害的應(yīng)急情景要素;其次構(gòu)建了簡支梁橋地震災(zāi)害情景庫;最后利用LS-DYNA通過加載不同的地震波對簡支梁橋地震倒塌全過程進行復(fù)現(xiàn),驗證了情景推理的可行性,結(jié)果真實反映了簡支梁橋倒塌全過程;介紹了橋梁應(yīng)急處置的方法,為簡支梁橋地震情景構(gòu)建與推演提供參考。通過情景推演能夠在地震發(fā)生后的第一瞬間推算出橋梁的損壞情況和受損部位,因此對橋梁開展地震災(zāi)害情景推演不僅能提高生命線工程安全運行能力,也是保障生命線工程安全可靠運行的重要條件。當?shù)卣鸢l(fā)生后,能迅速地通過地震臺監(jiān)測到的震級與情景庫進行相似性匹配,調(diào)取預(yù)設(shè)緊急處置方案,提升橋梁地震應(yīng)急主動能力。

1 簡支梁橋地震災(zāi)害情景構(gòu)建

1.1 情景組成要素

情景的構(gòu)成要素不但要涵蓋客觀性的事物,也應(yīng)該具備一些有主觀性的活動(如應(yīng)急處置),由于不同承災(zāi)體自身災(zāi)害性質(zhì)的差別,為了更加清晰表述簡支梁橋災(zāi)害情景之間關(guān)系,本文將簡支梁橋地震災(zāi)害情景組成歸納為致災(zāi)體、承災(zāi)體、應(yīng)急處置,如圖1所示。致災(zāi)體為地震致災(zāi)因子;承災(zāi)體是指直接受到災(zāi)害影響和損害的簡支梁橋本體;應(yīng)急處置為地震發(fā)生后對簡支梁橋采取的應(yīng)急措施。承災(zāi)體、致災(zāi)體以及應(yīng)急處置三者之間相互作用將會推動整個簡支梁橋地震情景推演系統(tǒng)的演化與進展。

圖1 簡支梁橋地震災(zāi)害情景要素作用關(guān)系

1.2 橋梁地震災(zāi)害情景庫構(gòu)建

情景單元是存儲情景的最小單元,橋梁地震情景推演是由無數(shù)個情景組成,橋梁地震災(zāi)害有無數(shù)個不同的情景,每一個情景框架包含圖1的三個部分。

設(shè)S為不同時刻情景Si的集合,則有式(1)、式(2):

S=(S0,S1,S2,…,Sn)

(1)

Si=(NiAiRi),i=0,1,2,…,n

(2)

式(2)中:Si為組成S的一個情景;Ni為一個單要素的集合;Ai為Ni的屬性狀態(tài)集;Ri為Ni內(nèi)部的屬性關(guān)系。

對情景庫進行展開分析,可以表示為如式(3)所示的關(guān)系。

(3)

式(3)中:N為情景庫的情景單元,A可分為時間t、空間s、輸入x、輸出y四個屬性集合,(t0,t1,…,tn),(s0,s1,…,sn),(x0,x1,…,xn),(y0,y1,…,yn)是組成無數(shù)條情景單元N的情景要素,結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 情景庫結(jié)構(gòu)圖

橋梁屬于大型土木工程結(jié)構(gòu),受到設(shè)備、場地多種條件的制約,實驗也只能按照小比例進行縮放,很難反映結(jié)構(gòu)的實際情況。而且對于橋梁在地震作用下的倒塌需要做很多個橋梁構(gòu)件進行重復(fù)試驗,橋梁情景推演需要數(shù)以萬計的橋梁進行地震加載,若采用計算機仿真分析,則可以在計算機上進行“試驗”,省時省力,節(jié)省開銷。當研究地震烈度對橋梁結(jié)構(gòu)的影響時,只需對輸入的地震波進行修改,重新運算,即可非常方便地得到比較精確的分析結(jié)果。

LS-DYNA是一款分析功能強大的顯式動力學(xué)有限元分析軟件,不僅可以展示結(jié)構(gòu)倒塌全過程的動畫效果,而且分析結(jié)果與實際震害相接近[12]。本文基于LS-DYNA構(gòu)建橋梁在地震作用下的數(shù)值仿真情景庫,對不同的地震模擬加載下橋梁倒塌或者損壞情況進行虛擬仿真,通過虛擬仿真客觀識別橋梁發(fā)生震害的薄弱環(huán)節(jié)以及存在的風(fēng)險隱患。地震災(zāi)害情景庫的構(gòu)建,可以形成無數(shù)條情景相片,可以將地震后的橋梁的受災(zāi)情況展現(xiàn)出來,了解橋梁結(jié)構(gòu)在地震后最薄弱環(huán)節(jié)以及易局部倒塌部位,每一個情景相片都對應(yīng)一種應(yīng)急處置方案,更加高效且直觀地輔助搶險救援工作開展。

1.3 應(yīng)急處置

橋梁發(fā)生震害后第一時間首先進行封閉交通,疏散人群,然后組織應(yīng)急檢查,隨后對橋梁的破壞受損情況進行控制。國內(nèi)外把橋梁的震后損害狀態(tài)分為三種:基本完好、輕微破壞、嚴重破壞[13-14],橋梁的損壞狀態(tài)與應(yīng)急處置之間的關(guān)系如圖3所示,對于LS-DYNA中橋梁震后損傷狀態(tài)的評判依據(jù)為單元的失效,結(jié)構(gòu)的局部破壞通過失效單元模擬,單元在達到預(yù)先定義好的效準則后便不再工作。LS-DYNA中提供了模擬材料失效的方法,即通過在關(guān)鍵字文件中加入*MAT_ADD_EROSION命令。本文采用極限應(yīng)變失效準則,當鋼筋混凝土受壓到達定義的失效參數(shù)時,單元即被判定為失效破壞。

圖3 橋梁損害狀態(tài)與應(yīng)急處置關(guān)系

情景應(yīng)急處置的提出目的是把潛在的風(fēng)險以及抽象的問題具象化成一種更加清晰的損失情景,從而制定更加明確的應(yīng)對策略。系統(tǒng)會基于此并結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果進行對應(yīng)形成每一條情景的應(yīng)急處置措施,當?shù)卣饋砼R時,通過地震監(jiān)測臺站接收到的信息與事先通過情景推演出的情景庫進行最相似的迅速匹配,形成最快的應(yīng)急處置方案進行緊急處置。當?shù)卣鸢l(fā)生后,能夠通過情景推演推算出橋梁的損害情況,給交通運輸部門提供橋梁進行封橋或臨時修復(fù)的建議,在第一時間控制地震帶來的人員傷亡和經(jīng)濟損失,大致的流程簡圖,如圖4所示。

圖4 橋梁地震應(yīng)急處置簡圖

2 案例驗證

2.1 案例描述

本文選取三跨混凝土簡支梁橋作為研究對象,全橋結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示,跨徑組合為30m+30m+30m的三跨簡支梁,梁高1.8m,橋?qū)?2m,下面設(shè)有12個橡膠支座,橡膠支座的尺寸為0.6m×0.6m×0.2m,下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩,其中橋梁抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g),抗震等級為四級,建筑場地類別為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第二組。

圖5 簡支梁橋結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 情景變量的選取

簡支梁橋地震災(zāi)害情景推演時,需要考慮地震烈度對于結(jié)構(gòu)的影響,由于地震波的輸入不同,橋梁結(jié)構(gòu)倒塌形式也會相差較大。簡支梁橋地震災(zāi)害事件情景庫包含多個情景單元,每一個情景單元的情景要素發(fā)生改變,往往會對應(yīng)急處置的結(jié)果產(chǎn)生影響。根據(jù)設(shè)防烈度、地震分組、場地類別等主要參數(shù),按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[15]擬合設(shè)計反應(yīng)譜,為了方便描述情景推演,選取了兩條天然波和一條人工波作為情景輸入的變量進行水平方向的加載,計算取地震波輸入的前16s,選取的地震動峰值加速度分別為100gal、200gal、620gal。

2.3 輸入天然波1

當?shù)卣饎臃逯导铀俣葹?00gal時,簡支梁橋在天然波1作用下的有效塑性應(yīng)變圖,如圖6所示。

(a)t=2.72s

地震加載全過程橋體水平輕微晃動,A1梁與左側(cè)橋臺出現(xiàn)輕微碰撞,橋梁并未發(fā)生倒塌。加載初始階段,當t=0.52s時,應(yīng)變最早出現(xiàn)于2號墩左側(cè)與地面接觸處;當t=2.72s時,應(yīng)變發(fā)展至位于2號墩右側(cè)與地面接觸處,此時2號墩底部是應(yīng)變集中位置;隨著地震波的加載,當t=13.24s時,3號墩與地面接觸處也產(chǎn)生了較大的應(yīng)變;當t=14.75s時,由于A1梁與橋臺發(fā)生碰撞,應(yīng)變集中于發(fā)生碰撞處。

2.4 輸入天然波2

當?shù)卣饎臃逯导铀俣葹?00gal時,簡支梁橋在天然波2作用下的有效塑性應(yīng)變圖,如圖7所示,地震加載全過程橋體水平晃動劇烈但并未倒塌。加載初始階段,當t=2.14s時,應(yīng)變集中于2號墩底與3號墩底處,并且A3梁右端局部由于與右側(cè)橋臺碰撞也產(chǎn)生變形;當t=2.55s時,4號墩底處由于A3梁撞擊右側(cè)橋臺出現(xiàn)向右趨勢的變形;當t=3.1s時,4號墩墩底部出現(xiàn)應(yīng)變集中,兩柱柱底位置出現(xiàn)變形;當t=7.94s時,應(yīng)變集中于1號墩底處,由于梁體移位,A1梁與A2梁,A2梁與A3梁在伸縮縫處發(fā)生碰撞產(chǎn)生了局部變形;當t=16s時,應(yīng)變集中于A1梁與左側(cè)橋臺發(fā)生碰撞處。

(a)t=2.14s

2.5 輸入人工波

當?shù)卣饎臃逯导铀俣葹?20gal時,人工波的簡支梁橋倒塌演化過程,如圖8所示,地震連續(xù)倒塌過程持續(xù)大約7.03s。加載初始階段,結(jié)構(gòu)處于彈性變形,主要為水平晃動。后支座先破壞,主梁位移無法限制,簡支梁主梁部分在反復(fù)地震荷載作用下整體往右側(cè)位移,A1、A2、A3梁發(fā)生碰撞。當t=3.27s時,A1梁由于地震荷載作用位移過大超過其下橋臺的搭接長度導(dǎo)致落梁;隨著落梁的持續(xù)進行,當t=6.37s時,A1梁左端觸地,其間伴隨著支座的脫落;當t=7.03s時,A3梁左側(cè)撞地,A3梁右側(cè)橋臺受損嚴重,三跨簡支梁全部落梁倒塌破壞,橋面呈現(xiàn)多米諾骨牌一樣斷裂。

(a)t=3.27s

2.6 結(jié)果分析

(1)對于峰值加速度100gal的天然波,由以上分析可以看出:在地震加載過程中,位于中間跨橋墩墩底位置、簡支梁左側(cè)與橋臺接觸處均是應(yīng)變集中的部位,也是橋梁在發(fā)生地震時最薄弱的部位;相比于邊跨,橋梁位于中跨橋墩上方的橋跨結(jié)構(gòu)更加的危險,在發(fā)生地震時更易倒塌破壞。因此,當?shù)卣鸢l(fā)生后,此時的橋梁狀態(tài)應(yīng)為基本完好,故采取的應(yīng)急處置建議為優(yōu)先對這些部位進行“檢查與應(yīng)急加固”處置。

(2)對于峰值加速度200gal的天然波作用下的簡支梁橋,不僅僅是中間跨位置墩底,邊跨位置的墩底同樣也是薄弱部位;橋墩墩底處相比于橋墩與蓋梁連接處的位置更容易發(fā)生破壞;位于橋臺與主梁伸縮縫兩端的部位以及主梁之間的伸縮縫兩端的部位均是應(yīng)變集中位置。因此,當?shù)卣鸢l(fā)生后,由于梁體之間發(fā)生碰撞導(dǎo)致主梁產(chǎn)生變形,震后無法正常通行,此時的橋梁狀態(tài)應(yīng)為輕微破壞,故采取的應(yīng)急處置建議為優(yōu)先對產(chǎn)生變形的部位進行“搶修保通”處置。

(3)對于峰值加速度620gal人工波作用下的簡支梁橋,橋梁在7.03s就發(fā)生了全部的落梁破壞,此時橋梁震害損害狀態(tài)為嚴重破壞,由于短期內(nèi)無法恢復(fù)交通通行,對于嚴重破壞情形的橋梁應(yīng)急處置給出的建議應(yīng)為立即“封橋”處置。

3 結(jié)論

本文以簡支梁橋為研究對象,圍繞其在不同地震波下的作用進行研究,得出以下結(jié)論。

(1)提出了一種簡支梁橋地震災(zāi)害情景推演,并提取簡支梁橋地震災(zāi)害的應(yīng)急情景要素,構(gòu)建了簡支梁橋地震災(zāi)害情景庫,利用LS-DYNA通過加載不同的地震波對簡支梁橋地震倒塌全過程進行復(fù)現(xiàn),驗證了情景推理的可行性。

(2)簡支梁橋在地震荷載作用下,橋梁的中間跨橋墩墩底位置、邊跨墩底位置、位于橋臺與主梁伸縮縫兩端的部位以及主梁之間的伸縮縫兩端的部位均是風(fēng)險薄弱部位,在發(fā)生地震后應(yīng)重點關(guān)注上述部位。

(3)簡支梁橋地震災(zāi)害情景庫的構(gòu)建能夠快速地推演出簡支梁橋在不同地震波作用下的風(fēng)險薄弱環(huán)節(jié),根據(jù)橋梁損壞狀態(tài)提出對應(yīng)的應(yīng)急處置措施。當?shù)卣鸢l(fā)生后,能迅速地通過地震臺監(jiān)測到的震級與情景庫進行相似性匹配,調(diào)取預(yù)設(shè)緊急處置方案,提升橋梁地震應(yīng)急主動能力,使得人們從地震工程學(xué)的角度認識到地震災(zāi)害的整個演化過程,同時提高相關(guān)部門應(yīng)急救援能力和救援效率。