地震作用下超高墩刚构桥倒塌易损性分析

范振华 张谢东 张 行

（武汉理工大学交通学院1） 武汉 430063） （内蒙古交通设计研究院有限责任公司2） 呼和浩特 010010）

0 引 言

桥梁结构在强震下倒塌破坏是造成生命财产损失的主要原因.因此保证强震作用下结构的抗倒塌能力一直是基于性能的地震工程的核心目标.强震作用下结构的倒塌破坏机制和抗倒塌能力受地震动参数和结构形式的影响，目前评价强震作用下结构抗倒塌能力最合理的方法是基于弹塑性时程分析的倒塌易损性分析方法［1］.

国内外很多专家在桥梁地震易损性研究上开展了大量卓有成效的工作.Bryant G.Nielson［2］对 CSUS（Central and Southeastern United States）地区9类常见桥梁采用分析方法建立了易损性曲线.Swagata Banerjee［3］以桥墩的转动延性定义了损伤状态，对钢筋混凝土桥梁的概率、统计和力学易损性模型进行了综合研究.Howard Hwang等［4］将能力与需求之比作为损伤指标，通过易损性曲线对孟菲斯几类桥梁结构在地震作用下的损伤状况进行了评价.Jamie E.Padgett等［5］研究了加固改造后四类常见多跨桥梁的地震易损性，评价了加固改造方法对概率地震需求模型、结构构件和系统能力的影响.Y.Pan等［6］研究了结构参数不确定性对纽约州典型多跨简支钢梁桥（MSSS）地震易损性的影响.Ian Thomas Sullivan［7］研究了CSUS地区斜交桥的斜交角对地震易损性的影响.Joonam Park等［8］研究了韩国典型铁路钢板梁桥的地震易损性.Bayram Aygün等［9］研究了多跨连续钢桥考虑土体破坏对桥－土－基础耦合体系（CBSF）地震易损性的影响.张菊辉［10］以位移延性比作为损伤指标研究了规则梁桥墩柱的地震易损性，冯杰［11］以位移延性比作为墩柱损伤指标，研究了某连续箱梁桥的地震易损性.

近年来我国墩高超过100m的超高墩刚构桥发展迅速，是当前桥梁工程的重要前沿.目前有关超高墩刚构桥的倒塌易损性分析成为亟待解决的重要课题，本文根据高耸结构在地震作用下倒塌机理提出了超高墩刚构桥结构倒塌破坏的判别准则和倒塌易损性分析方法，并结合工程实例研究了结构劣化对其倒塌易损性的影响.

1 超高墩刚构桥倒塌易损性分析方法

1.1 本文提出的超高墩刚构桥倒塌判别准则

倒塌易损性分析的关键在于建立合理的倒塌判别准则.

近年来，国内外学者对高耸结构的地震需求进行了一些有益研究［12］，焦驰宇［13］以截面曲率作为损伤指标研究了斜拉桥主塔在不同地震强度水平下四种损伤超越概率沿塔高的分布规律和地震易损性规律.张凯等［14］以截面转角作为损伤指标建立了某高墩大跨连续刚构桥的易损性曲线，并进行了地震风险分析.郑成龙等［15］以塑性铰的曲率延性作为损伤指标，研究了北盘江斜腿刚构桥的地震易损性.应变指标属于材料层面的物理量，能直观描述高墩进入弹塑性阶段时的损伤状态，谷音等［16］采用应变作为墩柱损伤指标，对一墩高为60m的高墩大跨径刚构桥进行了纵桥向和横桥向的地震易损性分析.

然而由于问题的复杂性，目前仍没有广泛认可的高墩高塔结构的损伤破坏准则.高墩高塔结构在某些地震激励下高阶振型引起的地震反应显著，因而可能出现多个塑性铰［17］，有可能在墩身中部达到极限状态而导致结构倒塌［18］，结构倒塌时可能由高阶振型控制，不一定产生显著的侧移.

结构的倒塌模式通常分为竖向倒塌和侧向倒塌两种.竖向倒塌主要是由于结构中承重构件丧失承载力退出工作，而引起结构连续倒塌；侧向倒塌主要是由于结构的侧向塑性变形过大，导致抗侧强度或刚度发生较大退化而引起的侧向承载力丧失.实际的震害统计表明结构在地震作用下发生倒塌破坏的第一阶段是侧向倒塌，随后即进入竖向倒塌过程.研究表明高耸结构倒塌时可能由高阶振型控制，不一定产生显著的侧移.根据结构倒塌破坏的这一机理，可以认为当结构的竖向位移大幅增加而不再回到平衡位置时结构发生了倒塌破坏.对于超高墩刚构桥，墩顶节点的竖向位移能反映结构承受竖向荷载的能力，在全桥的竖向位移中通常是最大的，因此本文将最高墩右肢墩顶节点的竖向位移选为特征响应.据此提出本文的倒塌判别准则为：当结构的竖向位移剧增不再回到平衡位置时即认为发生了倒塌破坏.

1.2 倒塌易损性分析方法

结构抗地震倒塌易损性是指在未来可能遭遇的不同强度地震下发生倒塌的概率.按照如下步骤进行.

1）建立考虑非线性特性的结构模型.

2）按照结构所在的场地类别选取若干地震动记录（记为Ntotal），并选择合适的地震 动强度指标IM（intensity measure）对所选地震记录进行归一化处理.

3）在某一地震动强度下，对结构输入上述地震记录进行非线性性动力时程分析，根据所提出的倒塌判断准则判断结构是否发生倒塌破坏，记下结构发生倒塌的地震动数（记为Ncollapse），从而得到该地震动强度下结构的倒塌概率（Ncollapse／Ntotal）.

4）单调增加地震动强度IM，重复上一步骤，得到结构在不同地震动强度输入下的倒塌概率，用公式表示为

与地震的随机性相比，结构自身的离散性较小，结构地震倒塌易损性主要取决于不同地震动的频谱特性，因此，本文分析中暂未考虑结构的随机性，倒塌易损性分析流程见图1.

基于增量动力分析的结构抗地震倒塌能力易损性分析需要输入大量地震记录，以反映地震动的随机特性的影响.本文以实际地震动记录作为地震输入.按美国ATC－63报告［19］建议选取了23条地震记录用于分析，其放大系数见图2.

图2 地震记录放大系数

地震记录调幅选用较为常用的比例调整法，即对选用的地震波加速度峰值按比例进行放大或缩小.该方法不改变地震记录的频谱特性，仅调整地震记录的加速度峰值PGA.本文以PGA作为地震动输入的强度指标，每条地震记录的峰值加速度按比例调整从0.05 g到0.9 g，有效峰值加速度（PGA）的调幅为0.05 g等间距递增，直至结构倒塌.

2 算例分析

某预应力钢筋混凝土高墩大跨径连续刚构桥，主梁采用106m＋3×200m＋106m悬臂浇筑连续变截面箱梁，桥墩处梁高12m，为70cm厚箱形薄壁空心双支墩.桥型布置见图3.最高墩178m，其中178m墩、170m墩和116m墩沿墩顶往下每60m设有系梁.

图3 桥梁结构布置图（单位：m）

经过计算，得到23条地震记录作用下的结构墩顶位移IDA曲线，见图4.可见由于不同地震记录的频谱特性不同，结构响应差别很大23条地震记录的计算结果中，最低倒塌极限承载力为0.2 g，最高为0.9 g，相差四倍多.结构倒塌易损性曲线见图5.

图4 原结构IDA曲线

图5 原结构倒塌易损性曲线

随着周围环境的作用和使用年限的增加，桥梁结构在服役过程中不可避免的存在不同程度的损伤或者结构性能劣化，诸如钢筋锈蚀、混凝土顺筋胀裂、保护层剥落破坏等现象.这些劣化会导致桥梁结构的能力和刚度的退化，一旦发生地震，可能会使得现有的能力无法保证结构在预期的寿命期内完成其抗震功能.目而目前有关在役桥梁结构的抗震性能研究，大多都未考虑结构在已服役期间结构劣化，其实质是拟建结构的抗震性能评估.本文考虑了如下4种劣化情况对结构倒塌易损性的影响：（1）混凝土保护层剥落；（2）纵向钢筋强度降低10%；（3）纵向钢筋截面减少10%；（4）纵向钢筋强度降低10%，同时截面减少10%.计算结果见图6.

图6 结构劣化对倒塌易损性的影响

由图6可见，劣化对结构倒塌易损性影响较大，如0.4g的地震作用下原结构的倒塌概率为32%，而考虑纵向钢筋的强度和截面同时减少10%后，倒塌概率增大为45%，相比原结构，倒塌的风险增大了41%.钢筋截面减少相比强度降低的影响要大.四种劣化情况，混凝土剥落对结构倒塌易损性影响最小，同时考虑钢筋强度和截面减少的情况影响最大.

3 结束语

倒塌易损性曲线从概率的角度描述了桥梁倒塌破坏概率与地震动强度参数之间的关系，本文提出了超高墩刚构桥的倒塌判别准则，并研究了劣化对超高墩刚构桥倒塌易损性的影响，主要研究了纵向钢筋截面面积减少、纵向钢筋强度减少以及混凝土剥落对超高墩刚构桥倒塌易损性的影响.研究表明，地震动强度越大，结构发生倒塌的概率越大，且劣化对结构倒塌易损性影响较大.

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