某地区桥梁基于IDA的抗震性能分析

摘要：本文选择了三座连续梁高架桥为研究背景，并采用国内外有关桥梁抗震性能研究的成果以及相关桥梁抗震理论与方法并运用MIDAS/CIVIL软件进行建模，对这三座连续梁桥抗震性能以及抗震倒塌性能进行研究和分析，分析6度设防桥梁在7度设防条件下存在的抗震问题，通过选出10条地震波，并运用IDA将其调幅至150条后加到结构上去，计算出柱体漂移率，并将其与现有的柱体漂移率值进行对比，保证结构的柱体漂移率在准确的范围内，之后计算出墩顶最大位移值并与容许位移进行比较。

关键词：桥梁抗震;设防烈度;地震波;IDA

前言

根据2016年新版《中国地震动参数区划图》，某地区抗震设防等级从6度提高到了7度，但在地震参数区划图调整之前，该地区进行了大量的交通工程建设，建设了大量的高架桥，已经成为了城市最重要的交通通道，这部分的桥梁在新的抗震条件下，桥梁结构的抗震性能及存在的问题需要进行深入研究。

1三座连续梁桥建模

本文使用有限元软件MIDAS/Civil 进行分析计算。分别对实际某地区的三座连续梁桥进行模拟分析，主梁、支座、桥墩以及基础是模型中主要模拟的对象，由于上部结构的质量、支座处的边界条件、下部结构的质量与刚度、地基与桥墩的边界条件，以及桩土效应得模拟都对其动力特性有很大的影响，所以本文在模拟时如实地反映了结构地刚度与质量分布，以及边界条件。

7度区不仅要验算E1地震作用下桥梁结构的地震反应，还要验算在E2地震作用下，验算塑性铰区域的塑性转动能力，对于规则桥梁，还可以进一步简化为墩顶或墩底的位移能力的验算，计算出墩顶或墩底的位移数值后，将其与容许位移进行对比，得出结论。容许位移计算公式如下所示：

对于单柱墩：

2三座桥梁基于IDA的抗震性能分析

2.1增量动力分析法（IDA）

对结构动力分析采用增量动力分析法时，有以下主要步骤：

（1）首先建立结构有限元模型，建立的模型需表现出结构主要动力特性;

（2）地震波是具有随机性的，如果只选择了单条地震波的话，在进行IDA分析后，无法得到结构全面、真实的动力响应，因此应筛选出多条地震波来进行IDA分析。选择的DM（损伤指标）以及IM（强度指标）应有效得降低IDA曲线的离散程度;

（3）选取一条筛选后的地震波，对其进行等步调幅，将其调幅成多条地震波后，再导入进有限元软件（如Midas），之后将调幅后的地震波作用于结构上进行动力时程分析，接着将IM作为纵坐标，DM作为横坐标，利用Origin软件画出结构的IDA曲线;

（4）对得到的IDA曲线进行分析，曲线上斜率为初始斜率20%的点为结构的倒塌点，在各条地震波的作用下，结构进行IDA分析后得到的倒塌点处的DM和IM的值一般是不同的，因此需要对各组不同数据进行分析，才能得到较为合理的建议值。本文将采用Hunt&Fill[7]准则来对地震波进行调幅，此方法能有效确保增量动力分析法的精度与效率。

（5）分析得到的IDA曲线，当IM很小时，IDA曲线成直线状态，此时斜率不见，结构处于弹性状态，计算出此时的斜率为K，随着IM数值的增大，结构刚度开始退化，IDA曲线的斜率减小，当IDA曲线斜率减少至初始斜率20%的第一个点时，即斜率减少到0.2K时，为结构的倒塌临界点，此时可以计算出结构倒塌时的IM和DM。

2.2地震波的合理选取

在对桥梁进行动力时程分析时，为了保证结构在地震作用下的地震响应更为真实、可靠，输入合适的地震波是最基础且最重要的。本文运用Midas Building选择了15条地震波，并筛选出10条地震波进行等步调幅。

2.3三座桥在多个地震波IDA方法的分析结果

通过分析了三座桥在10条地震波作用下的IDA曲线，得到了三座桥梁在各地震波下的谱加速度值、墩顶峰值位移值以及桥墩的柱体漂移率。

A、B、C三座桥在十条地震波作用下生成了共30条IDA曲线，三座桥在各条IDA曲线下倒塌点处的谱加速度值以及对应的峰值位移值各不相同，但据此还不能得到一个统一的结果。

通过研究表明[10]，谱加速度值和柱体漂移率服从正态分布的规律，因此由正态分布的特点可得，25%概率分位值和75%概率分位值代表了数据的离散程度，而50%概率分位值代表了数据的平均水平。表1通过对A、B、C三座桥梁在倒塌时的谱加速度以及对应的柱体漂移率进行统计可以得到这三座桥梁在倒塌时的柱体漂移率与谱加速度的25%概率分位值、50%概率分位值、75概率分位值。

由表1可得，A桥在倒塌点处谱加速度Sa（T1，5%）的50%概率分位值为2.16g，对应的柱体漂移率的50%概率分位值2.65%，B桥在倒塌点处谱加速度Sa（T1，5%）的50%概率分位值为2.13g，对应的柱体漂移率的50%概率分位值2.41%，A桥在倒塌点处谱加速度Sa（T1，5%）的50%概率分位值为2.33g，对应的柱体漂移率的50%概率分位值2.54%，A、B、C三座桥在倒塌点处的谱加速度和柱体漂移率的25%概率分位值以及75%概率分位值和50%概率分位值的离散度均不高，因此此三座桥在50%概率分位值对应的谱加速度以及柱体漂移率可以合理有效的反映出结构在倒塌时的谱加速度以及柱体漂移率的平均水平，因此本文将柱体漂移率为2.65%、2.41%、2.54%分别作为A桥、B桥、C桥的倒塌判定准则的量化指标。

通过对本文的A、B、C三座桥的柱体漂移率与国内和国外研究分析出的建议值进行对比（表2），发现本文研究出的柱体漂移率的值与国内的研究成果相近，而与国外的研究成果相差较大，这是由于国外采用不同的规范以及不同的墩柱形式导致建议值与国内相差较大，但本文与孙颖、陆本燕所研究出的在橋梁倒塌点处的柱体漂移率数值相近，因此本文建议A桥的柱体漂移率为2.65%，B桥的柱体漂移率为2.41%，C桥的柱体漂移率为2.54%，此三个值作为各桥倒塌时的柱体漂移率是合理的。

由表3可得三座桥的峰值位移均大于容许位移，三座桥均不满足抗震性能要求。

3 结论

首先建立三座连续梁桥模型，按照增量动力分析法的原则以及步骤进行桥梁抗震分析，接着运用地震波筛选原则从15条地震波筛选出符合要求的10条地震波，接着对筛选出的这10条地震波进行等步调幅，将每条地震波条幅成15条地震波，调幅后共150条地震波，之后将这150条地震波作用于A、B、C这三座桥，分析研究得到的动力响应。将各条地震波作用下所得到的墩顶最大位移提取出来，将提取出的墩顶最大位移以谱加速度为IM（强度指标），以墩顶峰值位移为DM（损伤指标）并利用Origin画出相应的IDA曲线;对A、B、C三座桥的共30条IDA曲线进行分析，得到以桥墩柱体漂移率为结构倒塌判定准则的量化指标，得出了量化指标的25%概率分位值、50%概率分位值、75%概率分位值，最终以50%概率分位值作为桥梁倒塌判定的量化指标，并与现有的建议值进行对比，得出三座桥的该指标均满足现有要求。由于三座桥的柱体漂移率均满足现有要求，就可以得到有效的墩顶峰值位移值，并统计各桥的最大墩顶位移值，最终与容许位移进行比较，发现墩顶位移过大，因此桥梁抗震性能无法满足规范要求。

参考文献：

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作者簡介：鲍田丰（1994-），男，汉，江苏省常熟市，教师，硕士研究生，苏州工业职业技术学院，桥梁抗震。