大型碼頭工程引橋連續梁地震易損性分析

劉昕玥，汪承志（重慶交通大學 河海學院，重慶　400074）

大型碼頭工程引橋連續梁地震易損性分析

劉昕玥，汪承志
（重慶交通大學 河海學院，重慶400074）

為評估西部地區一碼頭工程典型引橋連續梁的抗震性能，采用OpenSees軟件建立全橋模型并開展了該橋的地震易損性分析。從中國地震局數據庫選取了100條汶川地震動數據，對橋梁模型進行時程分析，獲得橋梁各構件的最大動力響應，將響應與地震動強度進行概率地震需求分析，采用可靠度理論建立了引橋各構件的易損性曲線。研究結果表明：引橋各橋墩具有較好的抗震性能；支座構件容易發生輕微或中等損傷，建議采用減隔震支座降低地震損傷概率。

碼頭工程；引橋結構；易損性；抗震能力

隨著中國內陸水運航業的飛速發展，西部地區大型港口碼頭工程不斷涌現。由于西部地區地形復雜，在建立大型碼頭、港口結構時，會配套設計相應的引橋結構，其引橋工程量往往較大。近年來西部地區地震活動頻繁，這使得該地區碼頭引橋結構的運營安全也受到嚴重挑戰，因此，需要對該地區碼頭典型引橋結構的抗震能力進行研究。

隨著各國橋梁抗震分析方法的持續發展，地震易損性分析方法已經成為評估橋梁抗震性能的主要方法。近年來，國內外開展了一系列的橋梁地震易損性研究。張菊輝［1］采用可靠度理論對典型公路連續梁開展了易損性分析。馮杰［2］對公路等高墩5跨連續梁進行了構件和系統易損性分析。CHOI等［3］針對美國4種常見類型的簡支梁橋開展了地震易損性分析。但以上研究主要針對公路簡支梁橋和連續梁橋，且各橋墩墩高相同，然而對于像實際碼頭工程引橋這類墩高相差較大的連續梁地震易損性研究較少。

本文以西部地區一在建大型港區碼頭工程引橋3跨（40+64+40）m連續梁為研究對象，建立了該橋各危險構件的易損性曲線，評估了構件的抗震性能，并對各構件的易損性排序進行了研究。

1　地震易損性分析方法

首先進行結構概率地震需求分析，獲得橋梁構件地震需求與地震動強度指標的回歸模型。CORNELL［4］研究表明在對數空間內，地震需求與地震強度滿足線性關系，則橋梁構件抗震需求中位值與地震動強度IM的關系如下式

式中：Z～N（0，1）為標準正態隨機變量；ζ為橋梁結構抗震需求的條件對數標準差；參數A和B可以通過最小二乘法求解得到。

在易損性分析中線性回歸的方法［5］被普遍采用。在第i條地震動作用下橋墩實際抗震需求值 Di與需求模型（式（1））預測值兩者殘差ei為

則橋梁結構抗震需求的條件對數標準差ζ為

橋梁構件抗震需求大于能力的條件概率為

式中：Pf為結構地震損傷概率；D為橋梁構件抗震需求值；C為橋梁構件抗震能力值。

基于對數正態累計概率密度函數，可得到橋梁構件易損性函數（KENNEDY［6］）如下

基于上述方法，便可開展港區碼頭工程典型引橋連續梁橋的地震易損性分析。

2　引橋實例分析

2.1工程概況及有限元模型

以西部地區一港區碼頭工程典型引橋連續梁（40 +60+40）m為例，見圖1，研究了這類引橋結構的地震易損性。

引橋主梁為箱梁截面，主梁為C60混凝土，橋面寬15.5 m；橋墩為 C35混凝土，1#—4#墩墩高分別為12，21，24，17 m，2#墩為制動墩，縱筋和箍筋均采用HRB335級，配箍率為0.85%；兩邊墩支座采用板式橡膠支座GJZ400×550×99 mm，中墩支座采用板式橡膠支座GJZ500×600×130 mm。

圖1　引橋三跨連續梁全橋示意（單位：cm）

采用專業抗震計算軟件OpenSees建立全橋模型，考慮自重和二期恒載。主梁采用彈性梁單元模擬，橋墩采用基于柔度法的纖維單元模擬，利用 Kent-Scott-Park模型［7］（Concrete02材料）定義混凝土力學特性，采用Giuffre-Menegotto-Pinto模型［8-9］（Steel02材料）定義鋼筋的力學特性。對于支座的模擬，按文獻［10］第6.3.7節方法進行模擬。

2.2地震動選取

鑒于本文所研究的碼頭引橋結構位于西部地區，在選取地震動時應盡可能選用該地區實測地震動數據，使分析結果與實際情況更貼近。因此，本文選取汶川地震實測地震數據來開展該引橋的地震易損性分析，基于此本文從國家地震局數據庫中選出了100條汶川地震動作為易損性分析的地震動樣本庫。圖2給出了各地震動的加速度反應譜均值譜s和均值±1倍標準差σ反應譜。

圖2　反應頻譜特性（阻尼比ξ=0.05）

2.3引橋連續梁概率地震需求分析

為建立典型引橋連續梁各構件易損性曲線，需要研究各構件抗震需求與地震動強度指標間的相互關系，即開展構件地震需求分析。步驟如下：

1）首先基于2.2節從國家地震局數據庫中選取的100組汶川地震動，然后采用 IDA分析法［11］，將 100條地震動分別調幅到10個不同的 PGA（Peak Ground Acceleration）強度，從0.1g至1.0g步長為0.1g，一共組成1 000組地震動樣本庫。

2）根據引橋連續梁自身設計參數，研究該橋材料（混凝土、鋼筋的強度和彈性模量）和構件尺寸的不確定性，明確參數的分布特征，利用隨機抽樣方法，得到這些參數的橋梁樣本，建立橋梁樣本庫，包含1 000組橋梁分析樣本。

3）將地震動樣本與橋梁樣本隨機配對，然后進行時程分析，輸出各易損部位的最大動力響應，包含各橋墩的位移延性比μ和支座最大相對位移d。

4）將各構件最大響應與地震動強度進行回歸分析，得到各構件的需求模型。

按照上述步驟，對引橋連續梁各構件進行概率地震需求分析，便可得到各構件的需求模型。計算結果見表1。

表1　橋梁各構件概率地震需求模型

2.4地震易損性曲線的建立

在建立典型引橋連續梁地震易損性曲線之前，需要確定該橋各構件的損傷指標。對于橋墩構件，綜合考慮該碼頭引橋連續梁的特點，并參考文獻［12］的研究結果，最終采用位移延性比作為墩柱損傷指標。對于支座構件，本文參考湖南大學李立峰等［13］的研究成果，確定了支座4種損傷狀態臨界值的計算方法，橋墩、支座損傷指標臨界值計算結果詳見表2和表3。

基于2.3節得到的各構件地震需求模型，結合各構件損傷指標臨界值，利用式（5）便可建立引橋連續梁各構件地震易損性曲線，如圖3所示。

表2　各橋墩損傷指標臨界值

表3　支座損傷指標臨界值　mm

圖3　引橋連續梁各構件易損性曲線

圖3給出了碼頭工程引橋各構件的易損性曲線，分析表明：

1）對于各橋墩構件，當PGA為0.3g（抗震烈度為8度）時，2#墩（制動墩）輕微損傷破壞概率為31%左右。其他橋墩輕微損傷破壞概率均＜10%，而在中等、嚴重和完全破壞狀態下，損傷概率幾乎為0，這說明該連續梁橋各橋墩具有較好的抗震性能。該橋制動墩在各橋墩中最容易發生地震破壞，由于在相同地震動強度下制動墩的破壞概率遠大于其他橋墩，因此，本文建議采取減隔震措施來降低2#橋墩（制動墩）的地震損傷概率。

2）對于支座構件，在0.3g（抗震烈度為8度）時，4#墩支座輕微損傷概率為38.35%；中等損傷狀態的概率為13.41%；嚴重損傷狀態的概率為1.66%；完全破壞時的概率幾乎為0。3#墩支座的輕微損傷概率為31.02%；中等損傷概率為9.57%，嚴重損傷的概率為3.62%，完全破壞的概率接近于0。1#墩支座的輕微損傷概率為7.95%，中等損傷的概率為1.32%，嚴重和完全破壞的概率均很小。這說明連續梁橋各板式橡膠支座容易發生輕微、中等損傷。

為進一步了解各構件的易損排序情況，采用損傷概率為50%對應的PGA（簡稱PGA中位值）來表征構件的易損性。即PGA中位值越小，則構件越容易發生地震損傷破壞。圖4給出了輕微和中等損傷狀態下各構件PGA中位值的對比柱狀圖。

圖4　各易損構件PGA中位值柱狀

由圖4分析可知：對于輕微損傷，4#，3#墩支座PGA中位值最小，分別為0.35g和0.38g，說明這2個橋墩支座最容易發生輕微地震損傷。其他構件易損性排序：2#墩、3#墩、1#墩支座、4#墩、1#墩。對于中等損傷，2#墩（制動墩）的PGA中位值最小，其值為0.52g。說明2#墩最容易發生中等損傷。其他構件易損性排序為：1#墩支座、3#墩支座、3#墩、4#墩、1#墩。輕微、中等損傷狀態下的易損性排序結果略有不同。對于嚴重和完全破壞，其易損性排序與輕微損傷的排序結果相同。

3　結論

本文基于地震易損性分析方法，對西部地區一港區碼頭引橋連續梁橋開展了易損性分析，主要研究結論如下：

1）該碼頭工程引橋連續梁橋墩柔性較好，在PGA ＜0.3g（抗震烈度為8度）地震作用下，制動墩發生輕微破壞的概率低于30%，其他非制動墩發生輕微損傷的概率均低于10%，各橋墩幾乎不發生嚴重和完全破壞，這說明碼頭引橋各橋墩的抗震性能良好。

2）對比研究各構件的易損性結果表明：在所有構件中，支座構件最容易發生輕微、嚴重、完全損傷；2#制動墩最容易發生中等損傷，這說明支座構件是該橋中比較容易發生地震損傷的構件。因此，為了提高碼頭引橋連續梁支座構件的抗震能力，建議對該連續梁橋支座構件進行調整，采用減隔震支座來降低支座和制動墩的地震破壞概率。

［1］張菊輝.基于數值模擬的規則梁橋墩柱的地震易損性分析［D］.上海：同濟大學，2006.

［2］馮杰.橋梁結構地震易損性分析研究［D］.成都：西南交通大學，2009.

［3］CHOI E S，DESROCHES R，NIELSON B.Seismic Fragility of Typical Bridges in Moderate Seismic Zones［J］.Engineering Structures，2004，26（2）：187-199.

［4］CORNELL A C，JALAYER F，HAMBURGER R O.Probabilistic Basis for 2000 SAC Federal Emergency Management Agency Steel Moment Frame Guidelines［J］.Structural Engineering，2002，128（4）：526-532.

［5］ZAREIAN F，KRAWINKLER H.Assessment of Probability of Collapse and Design for Collapse Safety［J］.Earthquake Engineering Structural Dynamics，2007，36（13）：1901-1914.

［6］KENNEDY R P，RAVINDRA M K.Seismic Fragilities for Nuclear Power Plant Studies［J］.Nuclear Engineering& Design，1984（79）：47-68.

［7］KENT D C，PARK R.Flexural Members with Confined Concrete［J］.Journal of the Structural Division，1971，97（7）：1969-1990.

［8］NIELSON BG.AnalyticalFragilityCurvesforHighway Bridges in Moderate Seismic Zones［D］.Atlanta：GA Georgia Institute of Technology，2005.

［9］肖明洋.高墩混凝土連續剛構橋地震易損性分析［D］.成都：西南交通大學，2013.

［10］中華人民共和國交通運輸部.JTG/T B02-01—2008公路橋梁抗震設計細則［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［11］吳文朋，李立峰，王連華，等.基于IDA的高墩大跨橋梁地震易損性分析［J］.地震工程與工程振動，2012，32（3）：117-123.

［12］葛勝錦，熊治華，翟敏剛，等.中小跨徑混凝土連續梁橋地震易損性研究［J］.公路交通科技，2013，30（7）：60-65.

［13］李立峰，吳文朋，黃佳梅，等.板式橡膠支座地震易損性分析［J］.湖南大學學報（自然科學版），2011，38（11）：1-6.

（責任審編趙其文）

Seismic Fragility Analysis for Continuous Girder of Approach Bridge for Large Wharf Project

LIU Xinyue，WANG Chengzhi
（School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

A bridge model was built to study the seismic fragility of a continuous girder of approach structure in a wharf project in West China using OpenSees software.A hundred Wenchuan earthquake motion records were selected from the database of Chinese Earthquake Research Center.Base on time-history analysis，the maximum dynamic response of each bridge member was obtained.Dynamic response and seismic strength were used for probabilistic seismic demand analysis.T he fragility curves were calculated based on reliability theory.T he results indicate that the piers of approach structure have better seismic performance.Bridge bearings suffer slight or moderate damage.Isolation bearing is advised to reduce the probability of seismic damage.

W harf project；Approach structure；Fragility；Seismic capacity

U442.5+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.09

1003-1995（2016）08-0039-04

2016-04-07；

2016-05-30

國家科學自然基金（90715042）；西部交通科技項目（2009328222101）

劉昕玥（1992— ），女，碩士研究生。