大跨斜拉桥地震易损性分析_杨德圣

图2
有限元模型
图3
桥梁构件重要性系数分布
3 地震倒塌过程模拟
对上述模型进行地震反应过程的倒塌模拟分析。在结构横桥向施加 El-Centro 波，PGA 为 1.5g 的时桥 梁发生倒塌，图 4 为倒塌过程。
(a) 图4 地震倒塌过程模拟
(b)
倒塌模拟结果显示斜拉桥的塑性铰最先出现在次桥墩顶部，进而依次在塔柱下端、桥塔横梁、次桥墩 底部及最外侧斜拉索与加肋梁交接处出现。随着结构临界倒塌时的塑性铰数目的增多，结构塑性变形程度 加大，结构越来越多构件起到耗能减震的作用。地震倒塌过程模拟结果表明：当主塔柱下端塑性铰发展到 一定程度的时候，桥梁结构发生倒塌。
4 IDA 倒塌易损性分析
4.1 分析流程 为了全面、深入地分析结构在不断增强的地震动作用下结构性能的变化趋势，需要选用大量地震动进 行 IDA 分析，其基本流程[6]为： 1) 建立能够准确模拟结构地震动特性的建筑物模型； 2) 合理的选取一组地震动记录，确定合理的地震动强度参 IM(Intensity Measure)和典型的结构性能参 数 DM(Damage Measure)。 3) 确定调幅原则和调幅增长步长， 通过一系列的调幅系数对地震动记录进行调整， 得到一组不同强度 的地震动记录： 4) 用调幅后的地震动记录对结构进行一系列的非线性时程分析，得到一系列(IM，DM)的坐标点，选 用合适的插值方法绘制 IDA 曲线。IDA 曲线可以体现结构在不断加强的地震动作用下结构性能的变化趋 势； 5) 考虑到地震动的不确定性，选取一组不同的地震动记录重复(1)～(4)步，即可得到多地震动作用下 IDA 分析。 4.2 地震动强度及结构性能参数的选择 IDA 分析方法被认为是一种参数分析法，其主要包含地震动强度参数 IM 和结构性能参数 DM 两种参 ・Ⅰ-429・
立相应的有限元模型。首先，运用基于广义刚度的构件重要性评价方法分析了地震作用下该桥梁结构构件的重要 性，并给出了关键构件；其次，模拟了桥梁地震作用下连续性倒塌过程；最后，运用基于 IDA 的倒塌易损性分析 方法，对桥梁进行了定量的结构地震抗倒塌易损性评价。
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关键词：斜拉桥；重要性评价；IDA 分析；倒塌；地震易损性
2 构件重要性评价
叶列平[5]等建议的基于结构广义刚度的重要性评价方法已在多个桥梁工程中得到应用， 体现出了便捷、 可靠性高的优点。 基于结构广义刚度的重要性指标同时考虑了结构自身属性和荷载形式， 该指标的定义为： U K stru,f 1 I 1 U K stru ,0 其中， K stru , f 和 K stru ,0 分别表示完整结构和拆除某构件后的结构广义刚度； U 和 U 分别表示完整结构和 拆除某构件后的结构应变能。 基于此理论方法对该斜拉桥进行构件重要性进行分析，可得结构构件重要性系数分布，评价结果如 图 3 所示。 从图 3 可以看出，评价出的最关键的构件在主塔上，且主塔下部关键性最高，重要性系数由塔底沿塔 高向上呈递减趋势，这与工程经验判断的关键位置一致。主塔底部及斜拉索与塔柱连接处在设计、施工和 正常使用过程中应给予足够重视。 ・Ⅰ-428・
基金项目：交通运输部交通运输建设重大科技专项(2011-318-223-170)；中央高校基本科研业务费专项(FRF-TP-12-018A) 作者简介：杨德圣(1985―)，男，山东人，学士，硕士生，主要从事结构非线性与防震减灾； *黄盛楠(1982―)，女，天津人，讲师，博士，主要从事桥梁工程及结构工程领域的研究(E-mail: huangcn03@)； 宋 波(1962―)，男，山东人，教授，博士，主要从事城市基础设施的抗震及减灾对策研究(E-mail: songbo@)； 陆新征(1978―)，男，安徽人，教授，博士，所长，主要从事结构非线性和仿真研究.
图1
某大跨单塔斜拉桥总体布置及关键部位位置
/m
1.2
TECS 程序简介 本文在进行 IDA 分析、构件重要性评价的过程中使用了清华大学在 MSC.Marc 上开发的 TECS 程序，
其提供的纤维梁单元模块、分层壳单元模块和生死单元模块已在多个研究中得到应用。 纤维梁单元模块[3]是基于纤维模型原理开发并适用于模拟杆系结构非线性行为的分析模型；所谓的分 层壳单元[4]就是根据需要将壳单元划分若干层，分别设置不同的厚度、材料等属性，分层壳单元是基于复 合材料力学原理开发并能较好地反映壳体结构的空间力学性能的模块，分层壳模型的计算效率往往要高于 实体单元；生死单元模块[4]可以根据需要设定的材料失效准则控制单元失效，删除材料变形超过一定水平 的单元，不再允许其参与结构刚度阵和质量阵的集成。 1.3 空间有限元模型 采用 MSC.Marc 建立的有限元模型见图 2。为了计算快捷，去掉了两边引桥的部分，但考虑了次桥墩 墩顶的转角约束、拉索的预应力。塔柱、边墩墩柱、纵梁采用梁单元，采用厚壳单元的中间桥面板与使用 梁单元的横隔梁节点共用，斜拉索简化为空间杆单元，将斜拉索细化五等份，并考虑初始应力。计算模型 共有 990 个节点，1446 个单元，其中壳单元 207 个，梁单元 679 个，杆单元 560 个。
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性进行了评价，确定了结构关键部位的位置，通过模拟地震作用下塑性铰出现的位置验证了关键部位位置 合理性，利用 IDA 分析法研究塔顶水平位移的变化趋势，进而评估结构的抗地震倒塌能力。
1 桥梁及有限元模型
1.1 桥梁概况 本文以某大跨单塔斜拉桥为研究对象， 其总体布置图如图 1 所示。 桥梁主桥为双索面混凝土独塔斜拉 桥与 T 型刚构的协作体系，主梁为由两侧的实体边主粱和横隔梁组成的梁格体系，共同组成了 (60+223+223+60)m 的主桥跨度。斜拉桥主桥为实体边主梁断面，边主梁和横梁高 2m，横隔梁间距为 4m。 全桥共 2×28 对拉索，梁上拉索间距为 8m。
文章编号：CSTAM2013-P28-E0062
大跨斜拉桥地震易损性分析
杨德圣 1，*黄盛楠 1，宋
摘
波 1，陆新征 2
(1. 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2. 土木工程安全与耐久教育部重点实验室，清华大学土木工程系，北京 100084)
要：保证强震作用下建筑结构的抗倒塌能力是建筑抗震设计的核心任务。本文以某大跨单塔斜拉桥为例，建
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 震级 6.7 6.7 7.1 7.1 6.5 6.5 6.9 6.9 7.5 7.5 7.3 7.3 6.9 6.9 7.4 6.5 6.5 7.0 7.6 7.6 6.6 6.5 发生时间 1994 1994 1999 1999 1979 1979 1995 1995 1999 1999 1992 1992 1989 1989 1990 1987 1987 1992 1999 1999 1971 1976 地震名称 Northbridge Northbridge Duzce Hector Mine Imperial Valley Imperial Valley Kobe Kobe Kocaeli Kocaeli Landers Landers Loma Prieta Loma Prieta Manjil Superstition Hills Superstition Hills Cape Mendocino Chi-Chi Chi-Chi San Fernando Friuli
Abstract:
The topic objective of seismic design is to ensure the collapse resistant capacity of the structures
subjected to strong earthquake. In this paper, a nonlinear finite elemental mode based on a long-span cable-stayed bridge is built. Firstly, the component importance of the bridge subjected to earthquake is evaluated by using the method based on the generalized structural stiffness, in which the critical components are identified. Secondly, the progressive collapse process is simulated. Lastly, the seismic vulnerability is quantitatively evaluated based on the incremental dynamic analysis (IDA). Key words: cable-stayed bridge; importance evaluation; incremental dynamic analysis; collapse; seismic vulnerability 2008 年颁布并实施的国标《工程结构可靠性设计统一标准》(GB50153 —2008)[1]给出了结构的概念： 能承受作用并具有适当刚度的由各连接部件有机组合而成的系统。斜拉桥是由多种结构构件组成的有机统 一体，不同构件有着不同的功能，同时对整个结构安全的贡献程度也不同，其在损伤或失效后对整体结构 有着不同的影响程度。因此，确定构件的重要性程度对提高桥梁结构的安全性水平有着重要的指导意义。 我国发生的 5・12 汶川、玉树地震等工程灾害已导致大量建筑物倒塌破坏，造成了重大人员伤亡和财 产损失。如何保证建筑结构的抗倒塌能力，已经成为工程界研究的重要课题。近年来，随着基于性能的桥 梁抗震设计理论的发展及其在结构设计中的广泛应用，增量动力分析法[2](Incremental Dynamic Analysis, IDA)已经被广泛应用到结构的抗震性能评估中。 本文以某大跨单塔斜拉桥为例，运用基于广义刚度的构件重要性评价方法对地震作用下结构构件重要

数。地震动强度参数一般有峰值加速度 PGA、 结构基本周期 T1 对应的谱加速度 Sa(T1, 5%)或者结构屈服强 度等，在 IDA 分析中的 IM 应具有一定的单调性。文献[2]指出：对于拥有较长自振周期且受高阶振型影响 较大的高大桥梁，选用 Sa(T1, 5%)的合理性还有待深入研究。因此，本文根据研究对象的特点，选用峰值 地面加速度 PGA 作为地震动强度参数。 描述结构响应的参数 DM 通常有材料应力或应变、截面曲率或者结构位移等。强度体系指标不足以反 映结构损伤状态，结构变形可以反映结构在地震中的损伤和破坏状况。本文以斜拉桥桥塔塔顶水平位移作 为结构性能参数。 4.3 地震动记录及其数量的选取 该桥梁地处地震烈度 6 度区，按规范要求，取基本烈度 7 度为设防烈度。根据《公路桥梁抗震设计细 则》(JTG/TB 02-01-2008)[7]将该桥梁桥址场地类型确定为 II 类。由于 IDA 曲线与地震记录选取有着密切的 关系，文献[8―9]指出：在运用 IDA 方法对结构进行性能评估时，选取 10~20 条地震波便可达到一定的精 度。本文 IDA 倒塌易损性分析选用美国 FEMA P695 建议的 22 条远场地震动记录，如表 1 所示。 表1
SEISMIC VULNERABILITY ANALYSIS FOR LONG-SPAN CABLE-STAYED BRIDGE
YANG De-sheng1 , *HUANG Sheng-nan1 , SONG Bo1 , LU Xin-zheng2
(1. Civil and Environmental Engineering Institute, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of Ministry of Education, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)