大型码头工程引桥连续梁地震易损性分析

刘昕玥，汪承志（重庆交通大学 河海学院，重庆　400074）

大型码头工程引桥连续梁地震易损性分析

刘昕玥，汪承志
（重庆交通大学 河海学院，重庆400074）

为评估西部地区一码头工程典型引桥连续梁的抗震性能，采用OpenSees软件建立全桥模型并开展了该桥的地震易损性分析。从中国地震局数据库选取了100条汶川地震动数据，对桥梁模型进行时程分析，获得桥梁各构件的最大动力响应，将响应与地震动强度进行概率地震需求分析，采用可靠度理论建立了引桥各构件的易损性曲线。研究结果表明：引桥各桥墩具有较好的抗震性能；支座构件容易发生轻微或中等损伤，建议采用减隔震支座降低地震损伤概率。

码头工程；引桥结构；易损性；抗震能力

随着中国内陆水运航业的飞速发展，西部地区大型港口码头工程不断涌现。由于西部地区地形复杂，在建立大型码头、港口结构时，会配套设计相应的引桥结构，其引桥工程量往往较大。近年来西部地区地震活动频繁，这使得该地区码头引桥结构的运营安全也受到严重挑战，因此，需要对该地区码头典型引桥结构的抗震能力进行研究。

随着各国桥梁抗震分析方法的持续发展，地震易损性分析方法已经成为评估桥梁抗震性能的主要方法。近年来，国内外开展了一系列的桥梁地震易损性研究。张菊辉［1］采用可靠度理论对典型公路连续梁开展了易损性分析。冯杰［2］对公路等高墩5跨连续梁进行了构件和系统易损性分析。CHOI等［3］针对美国4种常见类型的简支梁桥开展了地震易损性分析。但以上研究主要针对公路简支梁桥和连续梁桥，且各桥墩墩高相同，然而对于像实际码头工程引桥这类墩高相差较大的连续梁地震易损性研究较少。

本文以西部地区一在建大型港区码头工程引桥3跨（40+64+40）m连续梁为研究对象，建立了该桥各危险构件的易损性曲线，评估了构件的抗震性能，并对各构件的易损性排序进行了研究。

1　地震易损性分析方法

首先进行结构概率地震需求分析，获得桥梁构件地震需求与地震动强度指标的回归模型。CORNELL［4］研究表明在对数空间内，地震需求与地震强度满足线性关系，则桥梁构件抗震需求中位值与地震动强度IM的关系如下式

式中：Z～N（0，1）为标准正态随机变量；ζ为桥梁结构抗震需求的条件对数标准差；参数A和B可以通过最小二乘法求解得到。

在易损性分析中线性回归的方法［5］被普遍采用。在第i条地震动作用下桥墩实际抗震需求值 Di与需求模型（式（1））预测值两者残差ei为

则桥梁结构抗震需求的条件对数标准差ζ为

桥梁构件抗震需求大于能力的条件概率为

式中：Pf为结构地震损伤概率；D为桥梁构件抗震需求值；C为桥梁构件抗震能力值。

基于对数正态累计概率密度函数，可得到桥梁构件易损性函数（KENNEDY［6］）如下

基于上述方法，便可开展港区码头工程典型引桥连续梁桥的地震易损性分析。

2　引桥实例分析

2.1工程概况及有限元模型

以西部地区一港区码头工程典型引桥连续梁（40 +60+40）m为例，见图1，研究了这类引桥结构的地震易损性。

引桥主梁为箱梁截面，主梁为C60混凝土，桥面宽15.5 m；桥墩为 C35混凝土，1#—4#墩墩高分别为12，21，24，17 m，2#墩为制动墩，纵筋和箍筋均采用HRB335级，配箍率为0.85%；两边墩支座采用板式橡胶支座GJZ400×550×99 mm，中墩支座采用板式橡胶支座GJZ500×600×130 mm。

图1　引桥三跨连续梁全桥示意（单位：cm）

采用专业抗震计算软件OpenSees建立全桥模型，考虑自重和二期恒载。主梁采用弹性梁单元模拟，桥墩采用基于柔度法的纤维单元模拟，利用 Kent-Scott-Park模型［7］（Concrete02材料）定义混凝土力学特性，采用Giuffre-Menegotto-Pinto模型［8-9］（Steel02材料）定义钢筋的力学特性。对于支座的模拟，按文献［10］第6.3.7节方法进行模拟。

2.2地震动选取

鉴于本文所研究的码头引桥结构位于西部地区，在选取地震动时应尽可能选用该地区实测地震动数据，使分析结果与实际情况更贴近。因此，本文选取汶川地震实测地震数据来开展该引桥的地震易损性分析，基于此本文从国家地震局数据库中选出了100条汶川地震动作为易损性分析的地震动样本库。图2给出了各地震动的加速度反应谱均值谱s和均值±1倍标准差σ反应谱。

图2　反应频谱特性（阻尼比ξ=0.05）

2.3引桥连续梁概率地震需求分析

为建立典型引桥连续梁各构件易损性曲线，需要研究各构件抗震需求与地震动强度指标间的相互关系，即开展构件地震需求分析。步骤如下：

1）首先基于2.2节从国家地震局数据库中选取的100组汶川地震动，然后采用 IDA分析法［11］，将 100条地震动分别调幅到10个不同的 PGA（Peak Ground Acceleration）强度，从0.1g至1.0g步长为0.1g，一共组成1 000组地震动样本库。

2）根据引桥连续梁自身设计参数，研究该桥材料（混凝土、钢筋的强度和弹性模量）和构件尺寸的不确定性，明确参数的分布特征，利用随机抽样方法，得到这些参数的桥梁样本，建立桥梁样本库，包含1 000组桥梁分析样本。

3）将地震动样本与桥梁样本随机配对，然后进行时程分析，输出各易损部位的最大动力响应，包含各桥墩的位移延性比μ和支座最大相对位移d。

4）将各构件最大响应与地震动强度进行回归分析，得到各构件的需求模型。

按照上述步骤，对引桥连续梁各构件进行概率地震需求分析，便可得到各构件的需求模型。计算结果见表1。

表1　桥梁各构件概率地震需求模型

2.4地震易损性曲线的建立

在建立典型引桥连续梁地震易损性曲线之前，需要确定该桥各构件的损伤指标。对于桥墩构件，综合考虑该码头引桥连续梁的特点，并参考文献［12］的研究结果，最终采用位移延性比作为墩柱损伤指标。对于支座构件，本文参考湖南大学李立峰等［13］的研究成果，确定了支座4种损伤状态临界值的计算方法，桥墩、支座损伤指标临界值计算结果详见表2和表3。

基于2.3节得到的各构件地震需求模型，结合各构件损伤指标临界值，利用式（5）便可建立引桥连续梁各构件地震易损性曲线，如图3所示。

表2　各桥墩损伤指标临界值

表3　支座损伤指标临界值　mm

图3　引桥连续梁各构件易损性曲线

图3给出了码头工程引桥各构件的易损性曲线，分析表明：

1）对于各桥墩构件，当PGA为0.3g（抗震烈度为8度）时，2#墩（制动墩）轻微损伤破坏概率为31%左右。其他桥墩轻微损伤破坏概率均＜10%，而在中等、严重和完全破坏状态下，损伤概率几乎为0，这说明该连续梁桥各桥墩具有较好的抗震性能。该桥制动墩在各桥墩中最容易发生地震破坏，由于在相同地震动强度下制动墩的破坏概率远大于其他桥墩，因此，本文建议采取减隔震措施来降低2#桥墩（制动墩）的地震损伤概率。

2）对于支座构件，在0.3g（抗震烈度为8度）时，4#墩支座轻微损伤概率为38.35%；中等损伤状态的概率为13.41%；严重损伤状态的概率为1.66%；完全破坏时的概率几乎为0。3#墩支座的轻微损伤概率为31.02%；中等损伤概率为9.57%，严重损伤的概率为3.62%，完全破坏的概率接近于0。1#墩支座的轻微损伤概率为7.95%，中等损伤的概率为1.32%，严重和完全破坏的概率均很小。这说明连续梁桥各板式橡胶支座容易发生轻微、中等损伤。

为进一步了解各构件的易损排序情况，采用损伤概率为50%对应的PGA（简称PGA中位值）来表征构件的易损性。即PGA中位值越小，则构件越容易发生地震损伤破坏。图4给出了轻微和中等损伤状态下各构件PGA中位值的对比柱状图。

图4　各易损构件PGA中位值柱状

由图4分析可知：对于轻微损伤，4#，3#墩支座PGA中位值最小，分别为0.35g和0.38g，说明这2个桥墩支座最容易发生轻微地震损伤。其他构件易损性排序：2#墩、3#墩、1#墩支座、4#墩、1#墩。对于中等损伤，2#墩（制动墩）的PGA中位值最小，其值为0.52g。说明2#墩最容易发生中等损伤。其他构件易损性排序为：1#墩支座、3#墩支座、3#墩、4#墩、1#墩。轻微、中等损伤状态下的易损性排序结果略有不同。对于严重和完全破坏，其易损性排序与轻微损伤的排序结果相同。

3　结论

本文基于地震易损性分析方法，对西部地区一港区码头引桥连续梁桥开展了易损性分析，主要研究结论如下：

1）该码头工程引桥连续梁桥墩柔性较好，在PGA ＜0.3g（抗震烈度为8度）地震作用下，制动墩发生轻微破坏的概率低于30%，其他非制动墩发生轻微损伤的概率均低于10%，各桥墩几乎不发生严重和完全破坏，这说明码头引桥各桥墩的抗震性能良好。

2）对比研究各构件的易损性结果表明：在所有构件中，支座构件最容易发生轻微、严重、完全损伤；2#制动墩最容易发生中等损伤，这说明支座构件是该桥中比较容易发生地震损伤的构件。因此，为了提高码头引桥连续梁支座构件的抗震能力，建议对该连续梁桥支座构件进行调整，采用减隔震支座来降低支座和制动墩的地震破坏概率。

［1］张菊辉.基于数值模拟的规则梁桥墩柱的地震易损性分析［D］.上海：同济大学，2006.

［2］冯杰.桥梁结构地震易损性分析研究［D］.成都：西南交通大学，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.高墩混凝土连续刚构桥地震易损性分析［D］.成都：西南交通大学，2013.

［10］中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［11］吴文朋，李立峰，王连华，等.基于IDA的高墩大跨桥梁地震易损性分析［J］.地震工程与工程振动，2012，32（3）：117-123.

［12］葛胜锦，熊治华，翟敏刚，等.中小跨径混凝土连续梁桥地震易损性研究［J］.公路交通科技，2013，30（7）：60-65.

［13］李立峰，吴文朋，黄佳梅，等.板式橡胶支座地震易损性分析［J］.湖南大学学报（自然科学版），2011，38（11）：1-6.

（责任审编赵其文）

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

国家科学自然基金（90715042）；西部交通科技项目（2009328222101）

刘昕玥（1992— ），女，硕士研究生。