大型雙槽渡槽結構地震易損性分析

錢玉林 徐一鳴 張春宇 徐建國 張金鵬 劉雪敏

摘 要：為評估大型鋼筋混凝土渡槽結構的抗震性能，以南水北調中線工程某三跨雙槽渡槽為例，基于ＯｐｅｎＳｅｅｓ 平臺中的纖維梁單元創建渡槽有限元模型，同時考慮槽內水位條件的不同以及地震波的隨機性，通過增量動力法進行非線性動力時程分析，獲得各易損構件的地震響應峰值；采用傳統概率地震需求分析方法對數據進行線性回歸，進而得到渡槽結構槽墩和支座的地震易損性曲線。研究結果表明：槽內水位變化對渡槽結構的地震響應有較大影響，通過對槽墩與支座開展損傷超越概率分析計算，說明滿槽情況下各構件損傷超越概率增長速率最快。

關鍵詞：雙槽渡槽；地震響應；地震易損性分析；抗震性能

中圖分類號： ＴＶ６７２．３；ＴＶ３１２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２７

引用格式：錢玉林，徐一鳴，張春宇，等．大型雙槽渡槽結構地震易損性分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１４７－１５１．

大型渡槽工程作為生命線工程，具有排澇、導流和跨流域調水等多種功能，然而不少重要的調水工程都經過地震高烈度地區，在劇烈地震動作用下，渡槽結構在調水過程中易發生損傷和破壞，導致輸水中斷，對周邊地區造成嚴重威脅，因此研究大型渡槽結構的抗震性能具有重要意義［１－３］ 。目前國內外關于大型渡槽這類在跨度與寬度上相差懸殊的水工建筑物的地震易損性研究相對較少，由于渡槽與橋梁具有相似的結構特性，因此本文借鑒橋梁結構的易損性分析方法對渡槽的抗震性能進行研究。Ｒｏｙ 等［４］ 基于傳統Ｐａｒｋ－Ａｎｇ損傷指標，提出一種適用于雙向地震動抗震分析的損傷指標，通過對典型鋼筋混凝土橋梁進行地震易損性分析來量化橋墩在雙向地震作用下的損傷情況。

Ｋａｒｉｍ 等［５］ 建立日本某典型公路橋梁有限元模型并進行地震易損性分析，將得到的理論易損性曲線和基于實測震害數據建立的經驗易損性曲線進行對比研究，驗證了此分析方法的適用性。李立峰等［６］ 通過地震易損性分析方法研究了氯離子侵蝕對高墩大跨連續剛構橋全壽命周期的抗震性能的影響。吳姍姍等［７］ 基于傳統可靠度理論對我國常見的鐵路簡支梁橋進行了三維地震易損性分析，評估了該類橋梁在近地場地震作用下的抗震性能。通過借鑒現有研究成果，本文以某三跨雙槽渡槽為研究對象，通過ＯｐｅｎＳｅｅｓ 平臺建立該渡槽的有限元模型，基于增量動力法對渡槽進行非線性動力時程分析，得到渡槽結構各易損構件的地震易損性曲線，最后對比分析了不同水位條件對渡槽抗震性能的影響。

１ 渡槽概況與有限元模型

１．１ 渡槽概況

本文以南水北調中線工程的老張莊雙槽渡槽為例，上部結構為預應力混凝土矩形雙槽結構，槽身采用Ｃ５０ 混凝土，底寬５．００ ｍ、槽深４．２５ ｍ，１００ ａ 一遇設計流量為６４ ｍ３ ／ ｓ，設計水深為２．２１ ｍ。下部為單排架圓形槽墩，采用Ｃ３０ 混凝土澆筑，基礎為鉆孔灌注樁，支架為單排三立柱結構，高１０．４０ ｍ、直徑１．２ ｍ，每個槽墩設置縱向鋼筋１０Φ１６，箍筋Φ８＠ ２００，保護層厚度為０．０６ ｍ，設蓋梁和聯系梁，設計混凝土密度為２ ５００ ｋｇ／ｍ３，泊松比為０．２。支座采用板式橡膠支座。渡槽立面結構和橫截面示意見圖１、圖２。

１．２ 有限元模型

１．２．１ 模型構建

本文采用ＯｐｅｎＳｅｅｓ 有限元程序建立雙槽渡槽有限元模型，單元數為１３８、節點數為１３９，如圖３ 所示。纖維梁單元因能夠較好地表現和模擬鋼筋混凝土構件的材料軟化、剛度退化等損傷效應及軸力、彎矩的耦合效應且計算工作量較小而被廣泛使用［８］ 。本文采用纖維梁單元模型模擬鋼筋混凝土渡槽結構中槽墩、蓋梁、槽體、聯系梁構件，見圖４。采用附加質量法將水體固結于槽身［９］ ，槽墩底部采用固定約束，不考慮樁基和土體對渡槽結構的作用。通過對零長度彈簧單元每個方向賦予不同的剛度來模擬板式橡膠支座，其恢復力模型如圖５ 所示，其中屈服力Ｆｙ 和屈服位移ｄｙ分別為１．０９×１０７ Ｎ 和１４０ ｍｍ。相鄰槽身之間的伸縮縫通過帶初始間隙的雙線性接觸單元來模擬，在每個伸縮縫中使用３ 個接觸單元模擬槽身之間的碰撞，其恢復力模型如圖６ 所示，其中初始間隙Ｇａｐ和彈性模量Ｅ 分別為４０ ｍｍ 和６．１×１０６ Ｐａ。

１．２．２ 本構關系

渡槽結構的混凝土選用ＯｐｅｎＳｅｅｓ 材料庫中的ＣｏｎｃｒｅｔｅＤ 本構模型，它是基于我國混凝土設計規范建立的混凝土彈塑性損傷本構模型［１０］ ，如圖７ 所示，其中ｆｃ和ｆｔ分別為混凝土單軸抗壓和抗拉強度，εｃ 和εｔ 分別為混凝土峰值壓應變和峰值拉應變。該本構模型可以將混凝土材料的非線性與隨機性耦合到統一的體系中，綜合反映混凝土的非線性與隨機性。渡槽結構的鋼筋采用Ｓｔｅｅｌ０２ 鋼筋本構模型，該本構模型是在Ｇｉｕｆｆｒｅ－Ｍｅｎｅｇｏｔｔｏ－Ｐｉｎｔｏ 鋼筋本構模型的基礎上進行修正得到的雙折線模型，它可以同時考慮雙向Ｂａｕｓｃｈ?ｉｎｇｅｒ 效應和等向強化效應，如圖８ 所示，其中σｙ 和εｙ分別為鋼筋的屈服強度和屈服應變，Ｅ１ 和Ｅ２ 分別為鋼筋的初始屈服模量和屈服后的彈性模量。

３．３．１ 槽墩地震易損性分析

由于本文的渡槽結構為多跨簡支結構，各槽墩具有相似的地震響應，因此以某一跨槽墩為例研究其地震易損性，槽墩易損性曲線見圖１１（ＰＧＡ 為地震動峰值加速度）。

由圖１１ 可知：空槽、半槽、設計水位、滿槽條件槽墩具有相似的地震易損性曲線，其損傷超越概率隨著地震峰值加速度的增大而增大、隨著損傷狀態的加重有所減小，且不同損傷破壞狀態對應的槽墩損傷超越概率差異顯著。當地震動峰值加速度（ＰＧＡ）為０．３ｇ（抗震烈度為８ 度）時，相比于空槽狀態的各損傷超越概率，半槽時槽墩的４ 種損傷超越概率分別提高了６．１０％、１．５３％、０．５９％、０．０３％，設計水位時槽墩的４ 種損傷超越概率分別提高了１７．５２％、６．０１％、１．８７％、０．０５％，水位條件為滿槽時槽墩的４ 種損傷超越概率分別提高了６０．２７％、１０．２１％、３．９５％、０．７８％。這表明渡槽結構中水體的多少對槽墩的地震響應產生了較大的影響，且水位條件不同對損傷破壞狀態的影響程度不同，隨著渡槽中水位逐漸上升，在各種損傷狀態下槽墩超越概率逐漸增大，且輕微損傷狀態的超越概率提升最顯著，中等損傷的超越概率提升次之，說明水位上升引起渡槽上部結構質量變大，地震動引起慣性力增大進而產生更大的地震損傷。

３．３．２ 支座地震易損性分析

通過繪制不同水位條件下支座的地震易損性曲線，研究水位條件的改變對支座地震易損性的影響，支座的地震易損性曲線如圖１２ 所示。

通過對比槽墩和支座的地震易損性曲線，說明兩者的地震易損性曲線具有同樣的變化規律，槽內水位的上升使得支座在４ 種破壞狀態下的損傷超越概率都有所增大。當ＰＧＡ 為０．３ｇ（抗震烈度為８ 度）時，支座構件各個工況的損傷超越概率均比槽墩構件的大，這表明渡槽結構通過耗能支座的率先損傷來減緩槽墩的破壞，符合渡槽結構抗震設計要求。

４ 結論

１）本文基于精細化纖維梁單元和混凝土損傷本構模型建立了大型雙槽渡槽結構有限元分析模型，并基于位移延性比理論對渡槽結構進行了地震易損性分析，可較準確得到渡槽在不同損傷狀態下的損傷超越概率。

２）各水位條件下槽墩具有相似的地震易損性曲線，其損傷超越概率隨著地震峰值加速度的增大而增大、隨著損傷程度的提高有所減小，且不同損傷破壞狀態對應的槽墩損傷超越概率差異顯著。

３）渡槽結構中水體的多少對槽墩的地震響應產生了較大影響，且不同水位條件對不同損傷破壞狀態的影響程度不同，隨著損傷程度的不斷提高，水位條件變化的影響逐漸減小；隨著渡槽結構中水位逐漸上升，槽墩在各個損傷狀態下的超越概率逐漸增大，且輕微損傷狀態的超越概率提升最為顯著，中等損傷超越概率的提升次之。

４）計算表明該大型雙槽渡槽結構具有足夠的抗震能力，滿足８ 度地震基本烈度地區的抗震設防要求。同等地震強度條件下，支座比槽墩更易發生損傷，這表明支座構件先于槽墩發生破壞，滿足渡槽結構抗震設計要求。

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【責任編輯 張華巖】