基于IDA考虑地震方向的桥梁易损性分析

基于IDA考虑地震方向的桥梁易损性分
析
摘要：
以某高墩连续刚构桥为对象，基于IDA分析方法，从地震易损性分析的角度
评价高墩连续刚构梁桥的抗震性能，对比分析了不同地震方向情况下桥墩和支座
的整体易损性曲线、桥墩墩身易损位置及其对应的损伤概率分布情况。

结果显示：各关键构件的不同损伤指标下的损伤概率随地震强度、方向变化的规律各不相同；不同损伤指标下系统及各构件的最不利地震动入射角及其区间数量和范围也各不
相同；仅讨论纵桥向或横桥向构件地震易损性不能合理评估桥梁结构的实际抗震
需求，采用三维地震易损性分析方法能准确定位最不利地震动入射角，实现高墩
大跨桥梁结构抗震性能的准确评估。

关键词：易损性方向性 IDA
引言
随着“一带一路”倡议和“西部大开发”战略的持续推进，中国西部地区涌
现出大量的公路、铁路桥梁。

由于具有跨越能力强、内力分布合理、经济性能良
好以及外形优美等一系列优点，大跨度连续刚构桥已成为跨越地形复杂的峡谷深沟、沟壑纵横地区的重要桥梁结构形式。

同时，因为西部地区江河众多，高坝大
库密布，不少桥梁位于深水之中，如重庆江津长江大桥、漭街渡大桥、庙子坪岷
江特大桥等。

此外，中国西部地区多位于高烈度区，且很多地方处于板块活动频
繁地带，对桥梁抗震防灾提出新的更高要求，如2008年汶川地震中，强震导致
庙子坪桥水中墩开裂及简支跨落梁等严重震害。

1.地震易损性分析
桥梁地震易损性分析的主要目的是对桥梁结构在地震作用下的损伤状况进行
评估，它从宏观描述了桥梁结构损伤和地震强度之间的关系，是桥梁地震风险分
析和损失评估的基础。

这一概念可以追溯到上世纪核电站的建设，目前在基于性
能的抗震设计（PBSD）和基于性能的地震工程学(PBEE)中已得到充分的应用，是
其重要研究方向之一。

2.地震方向性
实际地震包含两个水平和一个竖向地震动分量。

在实际地震中，地面的水平
运动可能沿任何方向发生，而水平地震动的最不利入射方向往往与结构的主轴方
向不一致。

通常把引起结构最大动力反应的水平地震动方向称为地震对该结构的
最不利入射方向，最大动力反应称为结构在该地震输入下的最不利结构反应。

在
实际设计中，地震荷载通常只沿结构的主轴方向施加，而这种做法可能导致对结
构的动力响应的低估。

因此对于重要和复杂结构，往往需要不断变换地震的入射
方向，进行多次非线性时程分析，从而得到结构的最不利结构反应进行设计。

3.增量动力分析（IDA）
本文基于IDA分析、从地震易损性分析的角度开展桥梁结构地震损伤评价。

首先，选择合适的地震动强度指标IM对所选取的合理地震记录进行归一化处理，选取的地震动记录数目记为N;其次建立结构非线性数值模型，输入上述地震动记
录进行弹塑性动力时程分析;再次，针对某一地震动强度，得到该地震动强度下
结构发生不同损伤状态的超越次数，由此得到桥梁结构在该地震动强度下不同损
伤状态对应的超越概率;随后，增加地震动强度，重复上一步骤，完成所有分析;
最终计算指定损伤状态下结构在不同地震动强度输入下的超越概率，绘制桥梁结
构的易损性曲线，评价结构抵抗地震的能力。

基于传统可靠度方法，桥梁结构的地震抗力和地震需求均满足正态分布，其
概率密度由文献可得:
概率分布函数为:
抗力C和需求D服从对数正态分布，根据数理统计理论，ln C-ln D也服从正态分布：
破坏概率为：
4.易损性分析
图1 纵桥向地震下的易损性曲线
根据以上时程分析结果可以绘制不同工况下的易损性曲线（图1），进而对比不同地震加载角度下的易损性曲线差异得到相关结论。

构件各损伤指标下全方位易损性云图能直观表达出构件关联损伤概率随地震动强度、方向改变的变化规律。

各关键构件的不同损伤指标下的损伤概率随地震强度、方向变化的规律各不相同。

各构件的不同损伤指标下的最不利地震入射角及其区间数量和范围各不相
同。

仅讨论纵桥向或横桥向构件地震易损性不能合理评估桥梁结构的实际抗震需求。

采用三维地震易损性分析方法讨论了水平地震动输入角对桥梁构件及系统地震易损性的影响，但未对计算结果的产生机理进行进一步的分析，在后续的研究中将开展机理相关研究。

参考文献：
[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].同济大学, 2006
[2]冯清海. 特大桥梁地震易损性与风险概率分析[D]. 同济大学, 2008.
[3]焦驰宇. 基于性能的大跨斜拉桥地震易损性分析[D]. 同济大学, 2008.
[4]Singhal A, Kiremidjian A S. Method of probabilistic evaluation of seismic stuctural damage [J]. Journal of Structural Engineering, 1996,122(12):1459-1467.
[5]Basöz N, Kiremidjian A S. Risk assessment of bridges and highway systems from the Northridge earthquake[C]. Second National Seismic Conference on Bridges and Highways. 1997.
[6]Osaki T, Takada T. Seismic fragility assessment based on Bayesian updating[C]. Applications of statistics and probability in civil engineering: proceedings of the 9th international conference. 2003, 1:185-189.
[7]Yamazaki F, Hamada T, Motoyama H, et al. Earthquake damage assessment of expressway bridges in Japan[C]. Optimizing Post-Earthquake Lifeline System Reliability. ASCE, 1999:361-370.。