钢箱梁桥的钢筋混凝土桥墩的地震易损性分析

摘 要：本文采用非线性时程分析方法研究了桥墩高度、桥墩截面类型和桥梁总长度对钢箱梁桥的钢筋混凝土桥墩的地震易损性的影响。从历史地震事件中随机选取了20个地震运动曲线进行加载。结果表明，桥墩较短的桥梁比桥墩较高的桥梁更不易发生地震。与其它类型相比，墙壁式截面桥墩的抗震性能有明显提高。桥梁总长度对桥梁的地震反应有显著影响。

关键词：钢筋混凝土桥墩；钢箱梁桥；地震载荷；易损性文章编号：2095-4085（2024）10-0158-03

0 引言

桥梁结构在社会经济发展中起着极其重要的作用，而地震对此类结构的破坏可能导致交通系统中断。易损性曲线是评估地震作用下土木结构脆弱性的高效概率分析工具。许多研究已经通过经验和分析方法开发出了适用于基础设施的易损性曲线。经验方法依赖大量历史地震损伤数据的收集，而易损性曲线则能有效提炼这些数据，成为构建典型分析模型的高效途径。如谱分析、非线性pushover分析或非线性时程分析。非线性时程分析方法是最可靠的方法，通常用于研究结构的易损性曲线，而连续钢箱梁的不同参数对地震易损性影响的研究很少。本文从历史地震事件中随机选取了20个地震运动曲线进行加载，并根据损伤指数定义了轻微、中度、大面积和破坏等四种损伤状态。不同的损伤状态采用最大似然估计研究了桥墩高度、桥墩类型和桥梁总长度对桥梁地震易损性的影响^［1］。

1 模型与载荷

1.1 钢箱梁桥模型

本研究的桥梁类型是由单钢筋混凝土桥墩支撑的钢箱梁桥。易损性分析考虑了桥墩高度、桥墩横截面类型和桥梁总长度对钢箱梁桥地震易损性的影响（见图1）。所有工况设置桥梁的跨度为50m。不同桥墩高度的工况，选取桥墩高度分别为6.5m（H1）、9.5m（H2）和14.5m（H3）的三种钢箱梁桥，见图1（a）；不同横截面类型的桥墩，选取了圆形、矩形及墙壁式等三种截面形式，见图1（b）；不同桥梁总长度的工况，桥梁总长度分别为100m（L1）、200m（L2）和300m（L3）三种长度，见图1（c）。

1.2 材料模型

主要选取了有侧限和无侧限两种混凝土的材料参数（见表1）。钢筋作为加固材料，其材料参数（见表2）。这些材料模型都考虑了材料的非线性。

1.3 地震响应谱

在本研究中从世界各地的地震运动中随机选取了20个地面加速度记录。地震运动记录涵盖了广泛的地震情景和频率内容。地震运动的不确定性被认为是结构概率地震评估的最大来源。下图中所选的20个地震运动的加速度和位移响应谱，粗线为平均响应谱曲线（见图2）。在考虑地震运动不确定性的情况下对桥墩脆性曲线进行非线性时程曲线分析。具体步骤为：

（1）在OpenSees中建立桥梁的数值模型，其中包括材料和结构非线性单元。

（2）在桥梁模型中加入一组地震运动，其中考虑了曲线中的峰值加速度。每个运动的峰值加速度变化范围从0.1g的小强度到1.0g的大强度，然后得到桥墩的最大侧向位移。

（3）根据位移比确定桥墩的损伤状态。

（4）将所有地震运动和峰值加速度诱导的位移比与每个损伤状态的阈值进行比较，获得在给定的峰值加速度上超过每个损伤状态的数量。

（5）利用最大似然估计方法生成所有桥墩脆性曲线^［2］。

1.4 易损性的定义

桥墩对桥梁的承载能力起着重要的作用，桥墩的易损性会导致桥梁结构的倒塌。本研究仅侧重于桥墩抗震性能的评估。易损性的表征基于地震易损函数指南和标准（ATC-40和FEMA-273）中提出的基于极限位移角的损伤状态来评估桥梁柱的脆性曲线。

2 结果与讨论

2.1 桥墩高度的影响

通过对不同损伤状态的非线性时程曲线分析，结果表明，桥墩高的桥梁比桥墩短的桥梁更易发生损伤。这是由于具有相同横截面的桥墩中，短墩的抗弯刚度大于高墩的抗弯刚度。因此，高墩的侧向位移大于短墩的侧向位移。需注意的是，H1和H3分别代表短墩和高墩。这表明在常规桥梁的抗震设计实践中不推荐采用较高的桥墩。然而，短墩的抗剪破坏细节应慎重考虑^［3］。

2.2 桥墩类型的影响

不同桥墩的破坏可能性存在显著差异。在三种桥墩类型中，墙壁式截面桥墩对地震荷载的影响最小，其次是矩形截面桥墩和圆形截面桥墩。对于较高的桥墩（H=14.5m），三种桥墩类型在轻微损伤状态下的破坏可能性几乎相同，且在轻微损伤状态下，各桥墩类型之间的破坏可能性差异较小。这是由于墙壁式截面桥墩在横向方向上的水平刚度明显高于矩形截面桥墩和圆形截面桥墩。尽管对所有类型的桥墩采用相同的截面面积，但矩形截面桥墩和墙壁式截面桥墩的配筋量均有所增加。因此，在设计实践中，需要一个兼顾承载能力和成本的最优解^［4］。

2.3 桥梁总长度的影响

下图中给出了不同桥梁总长度在不同桥墩高度和桥墩类型下的易损性曲线（见图3）。从易损性曲线可以看出，较长的桥梁（L3）比较短的桥梁（L1）更脆弱。这是由于较长的桥梁产生的自然周期和桥墩侧向位移比较短的桥梁大。此外，所有桥墩高度均呈现出相似的变化趋势。

3 结论

本文采用非线性时程分析方法，对一系列具有不同桥墩高度、桥墩类型和桥梁总长度的连续钢箱梁桥进行了地震易损性分析。得出了以下结论。

（1）桥墩高的桥梁比桥墩短的桥梁更加脆弱。然而，在抗震设计实践中，桥墩短的抗剪破坏细节需要仔细考虑。

（2）不同类型桥墩的破坏可能性存在显著差异。其中墙壁式截面桥墩受地震荷载影响最小，其次为矩形截面桥墩和圆形截面桥墩。

（3）较长的桥梁比较短的桥梁更脆弱。

参考文献：

［1］路沙沙，徐红，张亚楠，等.基于IDA方法的加固震损RC框架结构地震易损性分析［J］.地震研究，2021（4）：673-681.

［2］江辉，张鹏，黄磊，等.跨断层简支钢箱梁桥的概率性地震损伤特性研究［J］.振动与冲击，2021（15）：253-262.

［3］宋帅，吴元昊，徐佰顺，等.斜拉桥系统地震易损性评估的Pair Copula技术［J］.工程力学，2021（9）：110-123.

［4］杨思昭，王宪杰.基于材料参数更新的RC框架结构时变易损性分析［J］.建筑结构，2021（15）：54-61.