简支梁桥地震灾害情景推演

陈 龙,李 舒,张翼飞

(1.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230009;2.清华大学 合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601;3.桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室,安徽 合肥 230051)

2016年,中国地震局颁布了“大中城市地震灾害情景构建”重点专项,针对北京、上海、沈阳、大同、昭通五个典型区域展开地震灾害场景与应急对策的建立,为提高城市应急准备能力给予信息支持。我国是地震多发国家,近年来,破坏性发生时间短的地震灾害事件频发。目前地震应急处置工作都是一项世界性难题,传统的“预测-应对”推演模式有待发展,基于情景依赖性,一种新的推演模式“情景-应对”产生[1]。桥梁是生命线工程的重要组成部分,一旦遭到地震破坏,不仅会对交通以及经济造成巨大损失,而且还会阻碍灾后展开的救援与重建工作[2-3]。随着交通运输事业的蓬勃发展,各种结构形式的桥梁不断涌现出来[4],简支梁桥作为中小跨度桥梁使用最为广泛的桥型,相比于其他桥型,多跨简支梁桥在破坏性地震中更易发生破坏、坍塌,这一点已被地震震害统计所证实,因此针对其进行情景推演研究具有重要的现实意义[5-6]。

诸多中外学者对灾害事件的情景推演展开了研究和总结,张磊[7]等对泥石流灾害系统运用知识元网络进行易损性评估;李仕明[8]等对知识元,应急情景和突发事件关系进行结构化表述,并基于知识元理论对洪水灾害进行了实例的情景表达和推演;王喆[9]等结合贝叶斯网络对城镇洪涝进行了情景推演;GaoS[10]等以新型病毒疫情为例基于动态贝叶斯网络进行了传染病疫情的情景推演;Shi L[11]等提出三种情景推演模型对铁路突发事件过程进行推导,得出卷积神经网络模型对于情景推演效果更好。但是他们依赖于历史的灾害数据,对于有的地区灾害数据统计较少的则无法实现情景推演;并且目前对于简支梁桥方面的地震灾害情景推演的研究并未细致地展开。

为了更好地描述地震情景推演以及场景倒塌复现,本文提出了一种简支梁桥地震灾害情景推演,首先提取简支梁桥灾害的应急情景要素;其次构建了简支梁桥地震灾害情景库;最后利用LS-DYNA通过加载不同的地震波对简支梁桥地震倒塌全过程进行复现,验证了情景推理的可行性,结果真实反映了简支梁桥倒塌全过程;介绍了桥梁应急处置的方法,为简支梁桥地震情景构建与推演提供参考。通过情景推演能够在地震发生后的第一瞬间推算出桥梁的损坏情况和受损部位,因此对桥梁开展地震灾害情景推演不仅能提高生命线工程安全运行能力,也是保障生命线工程安全可靠运行的重要条件。当地震发生后,能迅速地通过地震台监测到的震级与情景库进行相似性匹配,调取预设紧急处置方案,提升桥梁地震应急主动能力。

1 简支梁桥地震灾害情景构建

1.1 情景组成要素

情景的构成要素不但要涵盖客观性的事物,也应该具备一些有主观性的活动(如应急处置),由于不同承灾体自身灾害性质的差别,为了更加清晰表述简支梁桥灾害情景之间关系,本文将简支梁桥地震灾害情景组成归纳为致灾体、承灾体、应急处置,如图1所示。致灾体为地震致灾因子;承灾体是指直接受到灾害影响和损害的简支梁桥本体;应急处置为地震发生后对简支梁桥采取的应急措施。承灾体、致灾体以及应急处置三者之间相互作用将会推动整个简支梁桥地震情景推演系统的演化与进展。

图1 简支梁桥地震灾害情景要素作用关系

1.2 桥梁地震灾害情景库构建

情景单元是存储情景的最小单元,桥梁地震情景推演是由无数个情景组成,桥梁地震灾害有无数个不同的情景,每一个情景框架包含图1的三个部分。

设S为不同时刻情景Si的集合,则有式(1)、式(2):

S=(S0,S1,S2,…,Sn)

(1)

Si=(NiAiRi),i=0,1,2,…,n

(2)

式(2)中:Si为组成S的一个情景;Ni为一个单要素的集合;Ai为Ni的属性状态集;Ri为Ni内部的属性关系。

对情景库进行展开分析,可以表示为如式(3)所示的关系。

(3)

式(3)中:N为情景库的情景单元,A可分为时间t、空间s、输入x、输出y四个属性集合,(t0,t1,…,tn),(s0,s1,…,sn),(x0,x1,…,xn),(y0,y1,…,yn)是组成无数条情景单元N的情景要素,结构图如图2所示。

图2 情景库结构图

桥梁属于大型土木工程结构,受到设备、场地多种条件的制约,实验也只能按照小比例进行缩放,很难反映结构的实际情况。而且对于桥梁在地震作用下的倒塌需要做很多个桥梁构件进行重复试验,桥梁情景推演需要数以万计的桥梁进行地震加载,若采用计算机仿真分析,则可以在计算机上进行“试验”,省时省力,节省开销。当研究地震烈度对桥梁结构的影响时,只需对输入的地震波进行修改,重新运算,即可非常方便地得到比较精确的分析结果。

LS-DYNA是一款分析功能强大的显式动力学有限元分析软件,不仅可以展示结构倒塌全过程的动画效果,而且分析结果与实际震害相接近[12]。本文基于LS-DYNA构建桥梁在地震作用下的数值仿真情景库,对不同的地震模拟加载下桥梁倒塌或者损坏情况进行虚拟仿真,通过虚拟仿真客观识别桥梁发生震害的薄弱环节以及存在的风险隐患。地震灾害情景库的构建,可以形成无数条情景相片,可以将地震后的桥梁的受灾情况展现出来,了解桥梁结构在地震后最薄弱环节以及易局部倒塌部位,每一个情景相片都对应一种应急处置方案,更加高效且直观地辅助抢险救援工作开展。

1.3 应急处置

桥梁发生震害后第一时间首先进行封闭交通,疏散人群,然后组织应急检查,随后对桥梁的破坏受损情况进行控制。国内外把桥梁的震后损害状态分为三种:基本完好、轻微破坏、严重破坏[13-14],桥梁的损坏状态与应急处置之间的关系如图3所示,对于LS-DYNA中桥梁震后损伤状态的评判依据为单元的失效,结构的局部破坏通过失效单元模拟,单元在达到预先定义好的效准则后便不再工作。LS-DYNA中提供了模拟材料失效的方法,即通过在关键字文件中加入*MAT_ADD_EROSION命令。本文采用极限应变失效准则,当钢筋混凝土受压到达定义的失效参数时,单元即被判定为失效破坏。

图3 桥梁损害状态与应急处置关系

情景应急处置的提出目的是把潜在的风险以及抽象的问题具象化成一种更加清晰的损失情景,从而制定更加明确的应对策略。系统会基于此并结合数值模拟的结果进行对应形成每一条情景的应急处置措施,当地震来临时,通过地震监测台站接收到的信息与事先通过情景推演出的情景库进行最相似的迅速匹配,形成最快的应急处置方案进行紧急处置。当地震发生后,能够通过情景推演推算出桥梁的损害情况,给交通运输部门提供桥梁进行封桥或临时修复的建议,在第一时间控制地震带来的人员伤亡和经济损失,大致的流程简图,如图4所示。

图4 桥梁地震应急处置简图

2 案例验证

2.1 案例描述

本文选取三跨混凝土简支梁桥作为研究对象,全桥结构简图如图5所示,跨径组合为30m+30m+30m的三跨简支梁,梁高1.8m,桥宽12m,下面设有12个橡胶支座,橡胶支座的尺寸为0.6m×0.6m×0.2m,下部结构为双柱式桥墩,其中桥梁抗震设防烈度为8度(0.2g),抗震等级为四级,建筑场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第二组。

图5 简支梁桥结构简图

2.2 情景变量的选取

简支梁桥地震灾害情景推演时,需要考虑地震烈度对于结构的影响,由于地震波的输入不同,桥梁结构倒塌形式也会相差较大。简支梁桥地震灾害事件情景库包含多个情景单元,每一个情景单元的情景要素发生改变,往往会对应急处置的结果产生影响。根据设防烈度、地震分组、场地类别等主要参数,按照《建筑抗震设计规范》[15]拟合设计反应谱,为了方便描述情景推演,选取了两条天然波和一条人工波作为情景输入的变量进行水平方向的加载,计算取地震波输入的前16s,选取的地震动峰值加速度分别为100gal、200gal、620gal。

2.3 输入天然波1

当地震动峰值加速度为100gal时,简支梁桥在天然波1作用下的有效塑性应变图,如图6所示。

(a)t=2.72s

地震加载全过程桥体水平轻微晃动,A1梁与左侧桥台出现轻微碰撞,桥梁并未发生倒塌。加载初始阶段,当t=0.52s时,应变最早出现于2号墩左侧与地面接触处;当t=2.72s时,应变发展至位于2号墩右侧与地面接触处,此时2号墩底部是应变集中位置;随着地震波的加载,当t=13.24s时,3号墩与地面接触处也产生了较大的应变;当t=14.75s时,由于A1梁与桥台发生碰撞,应变集中于发生碰撞处。

2.4 输入天然波2

当地震动峰值加速度为200gal时,简支梁桥在天然波2作用下的有效塑性应变图,如图7所示,地震加载全过程桥体水平晃动剧烈但并未倒塌。加载初始阶段,当t=2.14s时,应变集中于2号墩底与3号墩底处,并且A3梁右端局部由于与右侧桥台碰撞也产生变形;当t=2.55s时,4号墩底处由于A3梁撞击右侧桥台出现向右趋势的变形;当t=3.1s时,4号墩墩底部出现应变集中,两柱柱底位置出现变形;当t=7.94s时,应变集中于1号墩底处,由于梁体移位,A1梁与A2梁,A2梁与A3梁在伸缩缝处发生碰撞产生了局部变形;当t=16s时,应变集中于A1梁与左侧桥台发生碰撞处。

(a)t=2.14s

2.5 输入人工波

当地震动峰值加速度为620gal时,人工波的简支梁桥倒塌演化过程,如图8所示,地震连续倒塌过程持续大约7.03s。加载初始阶段,结构处于弹性变形,主要为水平晃动。后支座先破坏,主梁位移无法限制,简支梁主梁部分在反复地震荷载作用下整体往右侧位移,A1、A2、A3梁发生碰撞。当t=3.27s时,A1梁由于地震荷载作用位移过大超过其下桥台的搭接长度导致落梁;随着落梁的持续进行,当t=6.37s时,A1梁左端触地,其间伴随着支座的脱落;当t=7.03s时,A3梁左侧撞地,A3梁右侧桥台受损严重,三跨简支梁全部落梁倒塌破坏,桥面呈现多米诺骨牌一样断裂。

(a)t=3.27s

2.6 结果分析

(1)对于峰值加速度100gal的天然波,由以上分析可以看出:在地震加载过程中,位于中间跨桥墩墩底位置、简支梁左侧与桥台接触处均是应变集中的部位,也是桥梁在发生地震时最薄弱的部位;相比于边跨,桥梁位于中跨桥墩上方的桥跨结构更加的危险,在发生地震时更易倒塌破坏。因此,当地震发生后,此时的桥梁状态应为基本完好,故采取的应急处置建议为优先对这些部位进行“检查与应急加固”处置。

(2)对于峰值加速度200gal的天然波作用下的简支梁桥,不仅仅是中间跨位置墩底,边跨位置的墩底同样也是薄弱部位;桥墩墩底处相比于桥墩与盖梁连接处的位置更容易发生破坏;位于桥台与主梁伸缩缝两端的部位以及主梁之间的伸缩缝两端的部位均是应变集中位置。因此,当地震发生后,由于梁体之间发生碰撞导致主梁产生变形,震后无法正常通行,此时的桥梁状态应为轻微破坏,故采取的应急处置建议为优先对产生变形的部位进行“抢修保通”处置。

(3)对于峰值加速度620gal人工波作用下的简支梁桥,桥梁在7.03s就发生了全部的落梁破坏,此时桥梁震害损害状态为严重破坏,由于短期内无法恢复交通通行,对于严重破坏情形的桥梁应急处置给出的建议应为立即“封桥”处置。

3 结论

本文以简支梁桥为研究对象,围绕其在不同地震波下的作用进行研究,得出以下结论。

(1)提出了一种简支梁桥地震灾害情景推演,并提取简支梁桥地震灾害的应急情景要素,构建了简支梁桥地震灾害情景库,利用LS-DYNA通过加载不同的地震波对简支梁桥地震倒塌全过程进行复现,验证了情景推理的可行性。

(2)简支梁桥在地震荷载作用下,桥梁的中间跨桥墩墩底位置、边跨墩底位置、位于桥台与主梁伸缩缝两端的部位以及主梁之间的伸缩缝两端的部位均是风险薄弱部位,在发生地震后应重点关注上述部位。

(3)简支梁桥地震灾害情景库的构建能够快速地推演出简支梁桥在不同地震波作用下的风险薄弱环节,根据桥梁损坏状态提出对应的应急处置措施。当地震发生后,能迅速地通过地震台监测到的震级与情景库进行相似性匹配,调取预设紧急处置方案,提升桥梁地震应急主动能力,使得人们从地震工程学的角度认识到地震灾害的整个演化过程,同时提高相关部门应急救援能力和救援效率。