基于地震损伤的超大跨斜拉桥抗震性能评估

基于地震损伤的超大跨斜拉桥抗震性能评估

谷云秋

宁波市公路与运输管理中心，浙江 宁波 315040

摘要：以主跨1400m斜拉桥为例，提出基于Park-Ang地震损伤指数和应力需求能力比等指标的综合抗震性能评估方法，并对大跨斜拉桥纵向、横向进行了E1级的功能性和E2级的安全性抗震性能评估，验证了该方法的可行性与实用性。根据桥梁构件表现出不同性能的特点，推荐采用不同的抗震性能指标。

关键字：超大跨斜拉桥，地震损伤，抗震性能评估，损伤性能目标，纤维模型

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1 引言

近年发生的几次大地震造成了现代桥梁严重破坏甚至结构倒塌，使专家学者越来越意识到怎样确保桥梁结构在地震中的安全性变得越来越重要。对于桥梁的抗震性能评估，主要有基于易损性和需求能力比等评估方法[1-4]。非线性静力法（推到分析）适合于跨径较小的规则桥梁，无法实现对复杂结构的分析及无法反应附加阻尼器的动力特性。基于传统意义的强度、应力、应变及位移需求能力比（D/C）的评估方法，不能很好反映地震持时、余震等因素对地震损伤的影响，不能体现地震的低周疲劳效应和滞回耗能对桥梁结构地震损伤的影响，显然也不能很好的反应结构破坏损伤机理。本文根据大跨度桥梁不同构件的受力特点以及已有抗震性能评估方法，提出基于地震损伤和能力需求比等指标的综合抗震性能评估方法。

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2 基于混合损伤指标的抗震性能评估方法

本文考虑地震损伤算法、地震设防准则与地震输入影响，提出大跨度桥梁抗震性能评估方法。

2.1 地震设防水准与地震输入

目前，对于桥梁的抗震设计，国内外规范一般采用两水准设防，即功能性评价地震水平（E1级）和安全性评价地震水平（E2级）。对处于生命线中的大跨度桥梁结构，考虑其在救灾中的重要性与投资的巨大性，一般需提高一级设防。针对超大跨斜拉桥，根据桥址的地质条件和地震风险评估确定其地震输入，功能性评价地震水平是指地震的重现期为1000年，震后桥梁处于无损伤、无永久性变形且震后不需修复即可满足其通车功能要求；安全性评价地震水平指地震的重现周期为2500年，震后允许部分构件出现有限损伤，但经过抢修加固后桥梁仍可恢复正常运营。

2.2 地震损伤性能目标

针对大跨度桥梁构件的不同材料和受力特点，选取不同的损伤指标进行大跨度桥梁的抗震性能评估。比如：强震作用下容易发生塑性变形的钢筋混凝土构件，采用Park-Ang损伤指数作为其损伤指标评估；对于在地震中一般处于弹性状态的桥梁钢构件，采用应力需求能力比（D/C）进行评估。

基于两水准设防的地震损伤性能目标确定如下，E1级地震作用下，桥梁钢构件的D/C小于1；钢筋混凝土构件的地震损伤应处于轻微甚至无损伤，对应的损伤指数应小于0.25；E2级地震输入下，桥梁钢构件的D/C小于1，钢筋混凝土构件可容许发生中等损伤，即修复性损伤，相应地损伤指数小于0.4。

2.3 大跨度桥梁的地震损伤计算

在地震反复作用下，结构的损伤、破坏通常由变形和累积耗能共同产生。按式（1）分析大跨度桥梁在弹塑性变形和地震引起的低周疲劳效应。

(1)

式中：DI为构件的损伤指标，β为耗能因子，按式（2）计算。

(2)

地震荷载作用下，大跨度桥梁结构的非线性运动方程可表示为

(3)

对于给定的地震加速度，结构的地震响应可按运动方程(3)进行弹塑性时程分析，可求得结构的位移响应向量和结构单元的弯矩与曲率，计算结构单元的滞回耗能，根据式(1)计算结构构件的地震损伤程度与分布。

3 大跨度斜拉桥抗震性能评估

3.1 桥梁概况与有限元模型

试设计桥梁为主跨1400m斜拉桥，全桥长2672m，由7跨(150+176+310+1400+310+176+150m)组成。斜拉桥各边跨有两个辅助墩和过渡墩，钢筋混凝土桥墩高均为6m。桥塔为A型钢筋混凝土主塔，除塔顶结合区外，在锚固区下端设置上横梁，在主梁处设置下横梁，塔高35m，桥面以上287m。斜拉索共有304(38×8)根成竖琴布置，最长拉索约为750m。主梁为扁平钢箱梁，箱梁标准横断面梁高4.5m，全宽（含风嘴）41.0m。

采用OpenSees建立三维有限元模型，如图2。钢主梁、主塔上、下横梁以及主塔锚固区采用弹性梁柱单元模拟；主塔其余部分、桥墩采用采用纤维梁单元模拟；斜拉索采用桁架单元模拟，斜拉索与钢主梁之间用刚臂连接。核心混凝土考虑横向箍筋的约束效应。

边界条件：主塔、主梁之间在纵向设置粘滞阻尼器；桥墩、主梁之间在纵向可自由滑动，忽略支座摩擦影响；在横桥向主塔、桥墩与主梁均采用主从连接；暂未考虑基础-土-结构的相互作用效应，因此在桥塔、桥墩基础处假设成固结。

图2 有限元模型

3.2 地震输入

由于该斜拉索缺少实际地质条件，本文借鉴已建大跨度桥梁的人工地震波，且充分考虑了对地震响应影响较大的长周期成分。经过适当调整原始人工波的地面峰值加速度（PGA），地震输入采用3条重现周期为1000年（PGA=0.4g，记为E1级）和3条重现周期为2500年（PGA=0.8g，记为E2级）的人工地震波，分别对试设计斜拉桥进行了纵向、横向的地震激励。其中一条原始人工地震波与相应加速度响应谱如图3和图4所示。

3.3 大跨度斜拉桥地震损伤计算

本文基于有限元模型，采用人工地震波（E1级和E2级）分别对桥梁进行了纵向、横向的地震输入激励计算损伤指数如图5~图10所示。

由图5和图6可以看出：功能评价E1级地震的纵向、横向作用下，主塔各单元的最大地震损伤指数均位于轻微损伤对应的损伤指标0.1以下，主塔无损伤，处于弹性工作阶段；在安全评价E2级地震的纵向输入下，最大地震损伤指数出现在塔底，其值为0.092，非常接近轻微损伤的上限值0.1，即无损伤发生；对于E2级地震的横向作用，最大地震损伤指数分别出现在锚固区下端、主塔与主梁的结合部位，其值分别为0.285、0.326，均超过中等损伤对应的地震损伤指数下限值0.25，遭受中等损伤。

由图7和图8可以看出：在功能评价E1级地震的纵向作用下，2#桥墩的最大损伤发生在墩底，其值为0.045，位于无损伤对应损伤指标上限值0.1以内，无损伤发生，对于横向地震作用，出现最大损伤的墩底的损伤指数为0.284，超过中等损伤的下限值0.25，遭受中等损伤；在安全评价E2级地震的纵向、横向激励下，最大损伤均出现在墩底，且分别大于严重损伤、局部失效的下限值0.4和0.8，发生严重损伤和局部失效。

由图9和图10可以看出：在地震水平E1、E2级的纵向、横向激励下，主梁的最大应力D/C均较小，最大值也仅为0.301和0.261，表明主梁未进入塑性阶段，具有较大的富余承载能力，仍可抵抗更大的地震荷载。

3.4 抗震性能评估

（1）E1级功能性评价

对于纵向地震激励，斜拉桥的主塔、桥墩无损伤发生，处于弹性工作状态，主梁、拉索的最大D/C均小于1，均满足抗震性能要求；当地震横向作用时，除桥墩遭受中等损伤不满足抗震性能目标要求外，其余主要构件如主塔、主梁及拉索均满足要求。

（2）E2级安全性评价

当地震纵向激励时，斜拉桥的主塔无损伤发生、主梁、边跨及部分中跨拉索的D/C小于1，满足抗震性能目标要求，而部分中跨拉索的D/C大于1，桥墩遭受严重损伤，不满足要求；对于横向地震输入，斜拉桥的主塔遭受中等损伤，主梁、拉索的D/C均小于1，满足抗震性能要求，而桥墩发生局部失效，不满足要求。

4 结论

本文针对大跨度桥梁提出了基于地震损伤和能力需求比等指标的综合抗震性能评估方法，得到以下结论：

（1）对于E1级的桥梁功能性评价，斜拉桥的主塔、主梁及拉索均满足抗震性能要求；桥墩仅在纵向地震作用下满足要求，而在横向作用时不满足，可能与桥墩-主梁在横向采用固结方式有关，导致桥墩损伤加重；

（2）对于E2级的桥梁安全性评价，斜拉桥的主塔、主梁、边跨拉索及部分中跨拉索满足抗震性能要求，而部分中跨拉索在纵向不满足要求，桥墩不管纵向还是横向均不满足抗震性能要求；

（3）针对大跨缆索桥梁，提出了基于地震损伤和能力需求比等指标的综合抗震性能评估方法，验证了该方法的可行性与实用性，以供参考借鉴。

参考文献

[1] Choi, E., R. DesRoches, and B. Nielson, Seismic fragility of typical bridges in moderate seismic zones. Engineering Structures, 2004. 26(2): p. 187-199.

[2] Yi, J.-H., S.-H. Kim, and S. Kushiyama, PDF interpolation technique for seismic fragility analysis of bridges. Engineering Structures, 2007. 29(7): p. 1312-1322.

[3] 中华人民共和国交通运输部, 公路桥梁抗震设计规范. 北京：人民交通出版社, 2008.

[4] 孙斌, 超千米级斜拉桥结构体系研究. 同济大学, 2008.

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