混凝土空心板梁橋地震易損性研究

吳建臻

摘? ?要： 以福州市部分橋梁的抗震安全性評估為基礎，對混凝土空心板梁橋的抗震薄弱環節進行易損性研究。針對混凝土空心板梁橋的技術參數、性能指標，構建有限元模型，采用增量動力分析（IDA）方法對橋梁結構易損性曲線的形成過程進行探討;對各級損傷狀態下橋墩墩柱、蓋梁支座、橋臺支座的易損性曲線進行對比分析;探究各構件在地震作用下的損傷規律。研究發現：地震狀態下，當橋墩墩柱的高度較低、箍筋配筋率較小、墩柱的延性能力較差時，橋墩墩柱是橋梁結構最易損傷的部位;由于橋臺的延性比橋墩小得多，因此橋墩墩柱和蓋梁支座共同承擔了地震力，橋墩的變形消耗了一部分能量，故橋臺支座比蓋梁支座更容易受到破壞。

關鍵詞： 混凝土空心板梁橋;地震易損性;抗震安全性評估;易損性曲線;增量動力分析（IDA）

引言

橋梁結構抗震能力是衡量交通系統抗震水平的重要指標之一。由于地震具有不可預知性，因此應用新的抗震理論不斷提高工程結構抗震能力是目前唯一的辦法。與房屋建筑等不同，橋梁震害直接造成的人員傷亡并不多，但是交通系統癱瘓造成的經濟損失卻不可估量，而且交通系統中斷對災后重建、人力傷害以及生產生活保障也會產生很大的影響。所以，對現有的橋梁結構進行地震易損性評估，成為迫切需要[1]。

目前，國內外為了評估橋梁結構在地震動作用下的損傷水平，通常采用兩種方法：一種是通過計算結構的易損性指數來判別;另一種則是通過結構構件的易損性曲線來判別。通過對易損性指數計算來判斷結構受到地震破壞程度的方法有很多，我國大多數城市橋梁系統的抗震易損性指數及曲線采用經驗統計法，通過對大量歷史震害資料的回歸分析，得到擬合公式和各影響因素的統計值及預測建議值，進而運用它們進行震害評估[2]。該方法方便有效，但由于缺乏具體的地震破壞數據，因此近些年國內外學者對易損性曲線進行了更加廣泛和系統的研究。Mackie等[3]基于概率需求和破壞模型，提出了一種簡化的預測震后殘余承載能力的預測方法。Gardoni等[4]基于Bayesian理論框架，建立了獨柱式鋼筋混凝土橋梁的概率性地震需求模型，建立了混凝土橋墩及橋梁系統的易損性模型。Karim等[5]將橋墩簡化為單自由度動力系統，用Park-Ang指標判別損傷狀態，分析了不同地面運動參數對橋墩墩柱易損性曲線的影響。Choi等[6]對某種橋梁進行單個構件的易損性分析，然后基于一階可靠度理論生成整個橋梁的易損性曲線。劉驍驍等[7]綜合考慮橋梁不同構件損傷對系統易損性的影響，提出了橋梁體系多維概率地震需求分析方法。

綜上所述，盡管分析易損性指數，并建立易損性曲線的方法各有差異，但可以發現，理論易損性曲線的形成，必須建立在對橋梁結構地震動性能進行充分分析的基礎上。顯然，對于缺乏地震破壞數據且不易進行地震模擬實驗的橋梁結構，通過動力反應分析形成理論易損性曲線是唯一可行的方法。本文以福州市為例，在對部分橋梁進行抗震安全性評估的基礎上，針對城市橋梁中的抗震薄弱環節——混凝土空心板梁橋進行地震易損性分析，形成橋梁結構的易損性曲線，以期把握橋梁結構在地震作用下的損傷規律，為該類橋梁結構的抗震設計和抗震加固提供新的思路與建議。

1? 福州市既有橋梁抗震安全性評估

經調查統計，在城市橋梁中，梁式橋分部最廣，數量也最多，而且根據以往的震害經驗也可以知道，地震來臨時，相較其他類型的橋梁，梁式橋受到的破壞普遍嚴重得多。本文抽樣選取了福州市區各主干道、次干道以及支路上的25座混凝梁式橋作為分析樣本，其中，板梁橋13座，T梁橋4座，箱梁橋8座;選取了場地（含類別、液化條件、場地均勻性、抗液化措施4個因素）、結構（含上部結構、支座、橋墩、基礎4個項目10個因素）、地震動（以烈度表示）、抗震設防（含設防烈度、設計規范、防落梁措施3個因素）共4大類18個因素作為橋梁抗震安全性評估考慮的因素，進行調查統計。最后，運用經驗統計法對樣本橋梁的震害結果進行預測[8]。

從抗震安全性評估結果來看，在地震作用下，福州市區內的混凝土梁式橋都會或多或少地產生一定程度的損傷，橋梁的抗震能力有待加強和提高。特別一些建設年代比較久遠以及所處地質條件比較差的混凝土空心板梁橋，是城市橋梁中的抗震薄弱環節，宜結合路線改造等及時進行抗震加固。

2? 研究方法與結果討論

2.1? 基準橋有限元模型的建立

本文以福州市某座典型混凝土空心板梁橋為背景，選用非線性結構分析軟件SAP2000建立分析橋梁的三維空間有限元模型，而后進行地震易損性分析。橋梁線型為直線，全長60 m，上部結構為3 m×20 m預制裝配式預應力簡支空心板梁橋（每孔22片梁），主梁材料采用C40混凝土;全橋支座型號均采用D250，厚度為42 mm的圓板式橡膠支座;橋墩為五墩式排架墩，橋臺為鋼筋砼肋板式橋臺，墩臺基礎均采用鉆孔灌注樁，圓形截面，樁徑1.5 m，采用C25水下混凝土。基準橋有限元模型如圖1所示。

在基準橋模型中，主梁采用彈性框架梁單元來模擬;帽梁同樣采用彈性框架梁單元來模擬，但是由于橋梁上部結構的抗彎剛度可以有效地加強帽梁的抗扭剛度，因此一般用帽梁截面的抗扭常數J乘以修正系數C，C可取100;板式橡膠支座用線性彈簧單元模擬;橋墩墩柱采用鋼筋混凝土彈塑性空間梁柱單元模擬，又因為橋墩墩柱的非線性和滯回性能集中在塑性鉸的區域，所以本文采用纖維PMM鉸來模擬墩柱的塑性鉸區域;最后采用3D嵌固模型[9]來模擬樁土之間的相互作用。

2.2? 損傷指標量化

2.2.1? 墩柱損傷指標

本文采用截面分析專用程序Ucfyber對墩柱截面進行行彎矩—曲率分析，分析得到墩柱塑性鉸截面的曲線。然后，再對截面進行水平力—位移（）分析，匯總得到橋墩墩柱彎曲破壞的損傷指標，如表1所示。

2.2.2? 支座損傷指標

本文均采用板式橡膠支座，支座型號均為D250，厚度為42 mm的圓板式橡膠支座，其橡膠層總厚度為0.03 m。根據板式橡膠支座的破壞準則可得

本文以容許剪切變形為極限狀態的參數，三種破壞狀態對應的容許剪切應變分別為100%、150%、250%。那么，板式橡膠支座損傷指標 如表2所示。

2.3? 易損性曲線的建立與討論

本文采用增量動力分析（IDA）方法[10]，在PEER強震數據庫中選取15條Ⅱ類場地的震動記錄，將這15條地震波的峰值加速度PGA均標準化到0.2g ～1.2g，每0.2g為一個水平，總共得到90條地震波。然后將這90條地震波沿順橋向輸入給橋梁模型，對每條地震波作用下的橋梁結構進行空間非線性動力時程分析。

2.3.1? 各易損構件在各級損傷狀態下的易損性曲線

在易損性分析過程中，選取空心板梁橋的橋墩墩柱、蓋梁支座以及橋臺支座為易損構件，分別對三者進行易損性分析，形成三者在各級破壞狀態下的易損性曲線。所以，對于每個橋梁結構—地震動樣本，提取橋梁結構在地震動作用下的墩頂墩底最大相對位移、蓋梁支座最大相對位移以及橋臺支座最大相對位移。然后計算各構件在不同損傷狀態下的需求能力比，建立需求能力比與地震動強度指標PGA之間的對數關系。最后對數據點進行線性回歸分析，可以得到：

其中，為結構能力參數，即各種破壞狀態的所對應的位移延性指標。參照HAZUS99建筑震害預測方法，當以PGA為自變量時，取0.5。所以根據式（5），可以得到各結構構件在不同損傷狀態下的超越概率，然后以地震峰值加速度PGA為橫坐標，以各種損傷狀態對應的超越概率為縱坐標，用 Origin軟件擬合出各結構構件在各級損傷狀態下的易損性曲線。如圖2所示。

2.3.2? 各級損傷狀態下各易損構件的易損性比較

為了把握全橋在地震作用下最易損傷的部位，現在將支座的易損性和橋墩墩柱的易損性進行對比。由于在確定墩柱損傷指標時定義了5種損傷狀態，而對于板式橡膠支座，本文只定義了4種損傷狀態，所以，為了方便后文的分析，現在對墩柱的各損傷狀態分別降低一個等級，再與支座相比較，如圖3所示。

由圖3可以看出，本例中，橋墩是全橋中最易發生損傷的部位，這是由于本例橋梁結構中橋墩墩柱的高度較低，箍筋配筋率也較小，墩柱的延性較差，因此在地震作用下，墩柱比其他構件更容易發生損傷。從圖3中還可以看出，橋臺支座的易損性始終大于蓋梁支座的易損性，這是由于在地震作用下，橋墩墩柱和蓋梁支座共同承擔了地震力，橋墩的變形消耗了一部分能量，所以蓋梁支座的相對位移就相應地減小了;而對于橋臺支座來說，我們在建模時假定橋臺為完全剛性，導致了橋臺支座相對位移較大。所以在不同強度的地震作用下，由于橋臺的延性要比橋墩小得多，因此橋臺支座要比蓋梁支座更容易受到破壞。

3? 結論與討論

本文在對福州市部分橋梁進行抗震安全性評估的基礎上，對混凝土空心板梁橋進行了地震易損性分析，主要認識如下：

（1）總體上看，福州市內的混凝土梁式橋在地震作用下都會或多或少地產生一定程度的損傷，橋梁的抗震能力有待加強和提高。特別地，一些建設年代比較久遠以及地質條件較差的混凝土空心板梁橋，是橋梁中的抗震薄弱環節，建議結合路線改造等方案及時進行抗震加固。

（2）當橋墩墩柱的高度較低、箍筋配筋率較小、墩柱的延性能力較差時，在地震作用下，墩柱比其他構件更容易發生損傷。所以建議在設計時加大橋墩箍筋配筋率，增大墩柱的抗剪能力，而在對既有混凝土空心板梁橋進行抗震加固時，橋墩墩柱的加固應當放在首位。

（3）由于橋臺的延性要比橋墩小得多，因此在地震作用下，橋墩墩柱和蓋梁支座共同承擔了地震力，橋墩的變形消耗了一部分能量，所以橋臺支座要比蓋梁支座更容易破壞。所以建議對混凝土空心板梁橋的橋臺支座進行優化設計，加強橋臺支座的抗震能力。

參考文獻

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