桥梁易损性分析概述

1.干海子大桥概况与全景图
某部件 某部件
“干海子特大桥”是我国已建成为数不多 的钢管混凝土桁架连续梁桥，是国家交通 干线—京昆高速公路控制性工程，位于四 川雅安。该桥按双向4车道设计，单幅桥面 宽度12.25m，共计36跨，分三联，第一 联为平曲线半径320m左右曲线桥，第二 联近似考虑成直线桥；最小联长268m， 最大联长1045m，桥总长1811m。
构件易损性曲线
系统易损性曲线
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4.基于IDA方法易损性分析优点
考虑地震参数和高阶 振型对高墩桥梁抗震 性能的影响，适用于 高墩桥梁
展现出地震动荷载作用下 桥梁结构从开始损伤到完 全破坏整个过程
IDA方法优 点
保留了非线性时程分析 与非线性静力分析优点
桥梁易损性曲线，能 显示出不同地震强度 下结构发生各级损伤 的概率
4 2 0 -2
4 2 0 -2
-4 -4 -2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 8 6 4 -2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 x=ln(PGA) 6 4
01
研究意义与背景
Research significance and background
02
03
基于IDA的易损性曲线建立方法
Method for fragility curve based on IDA
工程背景及损伤指标
Engineering background and damage index
硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学
8
02
PART TWO
基于IDA的易损性曲线建立方法
Method for fragility curves based on IDA
1.增量动力分析（IDA）方法
增量动力分析 (Incremental Dynamic Analysis ， IDA )方法 通过将地震强度参数进行系数 调整来建立一组强度递增的地 震动输入，并用这组调整过的 地震波分别对结构进行非线性 时程分析，来研究地震强度与 结构性能之间关系的方法。
2#钢管混凝土格构式桥墩墩顶和墩底单肢截面四种损伤状态IDA 曲线和梁端支座两种损伤状态IDA曲线
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10 8 8 6 y= -0.348x +0.895x+1.408
2
y= -0.348x +0.895x+0.718
2
6
y=ln（φ /φ l）
/φ y）
y=ln（φ
硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学 6
4.国内外桥梁易损性研究动态、水平 直线桥
国内学者对高墩（40m+）桥梁进行了大量抗震易损性分析，包 过斜拉桥，钢管混凝土拱桥，钢筋混凝土连续梁桥、连续刚构桥、简支 梁桥等。对钢管混凝土空间组合桁架梁桥易损性研究未见报道。
曲线桥
国内外学者主要采用谱分析或弹性时程分析方法从自振特性或结 构地震响应的角度研究曲线桥梁抗震性能。部分学者对传统研究方法进 行了创新改进。目前从基于IDA的易损性分析角度对曲线桥抗震性能的 研究未见报道。
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4.损伤指标
利用弯矩-曲率图 和结构曲率延性系 数得到各损伤状态 对应结构性能点作 为损伤评判的依据。 曲率延性系数取为 地震反应下结构曲 率与屈服曲率比值。
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将屈服曲率作为轻微损伤对应损伤指标，曲率 延性系数为各损伤等级相应截面曲率与屈服曲率 之比。
12
第四步： 第五步：
单地震曲线
多地震曲线
对数比曲线
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第六步：
对上述IDA曲线进行非线性回归分析，得到回归均 值λ和标准差σ，从而得到概率损伤
第七步：
根据计算结果绘制构件地震易损性曲线，结合联合 失效概率计算方法形成桥梁系统易损性曲线
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天津城建大学 基于IDA的钢管混凝土空间 桥梁与隧道工程 组合桁架梁桥易损性研究 张 铎
Research of seismic vulnerability of CFST and space composite trussed girder bridge using IDA
Zhang Duo, Bridge and tunnel engineering Tianjin Chengjian university.
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3.易损性发展过程
70年代提出
90年代初
21世纪初
2005年之后
第一阶段，主要采用实际调查方法来获取统计意义上的易损
性曲线。
第二阶段，对结构进行非线性时程分析，并用结构的损伤指 标对地震动反应进行统计和比较分析，获得结构地震易损性曲线。 以上方法属于纯理论研究方法并得到广泛认可。 第三阶段，采用多种概率性分析方法(贝叶斯原理、PDF插值 技术等)和多种新型分析方法 (能力谱法、Pushover法等)并结合 结构试验数据对结构进行分析，但目前仍处于探索阶段。
2
12 10 8
y=0.390x2+2.177x+3.037
y=ln（φ /φ l）
y=ln（φ /φ l）
6 4 2 0 -2 -4
4 2 0 -2 -4 -2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0
-6 -8 -2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 x=ln(PGA)
04 05
IDA曲线与易损性曲线
IDA curves and fragility curves
结论
Conclusions
02
CONTENT
01
PART ONE
研究意义与背景
Research significance and background
1.钢管混凝土结构桁架梁桥研究意义 优点众多：
形成互补： 耐火性能： 发挥钢材抗拉和混凝土抗压性能好的优点，克服混凝土自重大 和空心钢管刚度小的缺点 混凝土吸收部分热量，减缓钢材升温。钢管屈服，混凝土仍可 承受压力 吸能性和延性良好 施工快（无模板），节约混凝土
x=ln(PGA)
-2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 x=ln(PGA)
15#桥墩能力需求对数比IDA曲线
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10 8 6 y= -0.348x +0.895x+1.408
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四个第一：
该桥取得四项世界第一：目前总跨度最 大全钢管混凝土桁架梁桥；首座最高的 钢管混凝土格构桥墩、组合桥墩、混合 桥墩桥梁；该类工程中，它是单联最长 的连续结构；首次完全采用钢纤维钢管 混凝土施工技术大型桥梁。相对于简支 T梁桥，该桥重量减少一半，混凝土用 量减少9200立方米，钢材用量减少 4500吨，社会经济效益十分显著，是 适合西部高烈度地区的桥梁结构形式。 干海子大桥以其全球罕见的结构形式和 技术上的创新和经验，被我国多部门列 为西部山区科技示范桥，对今后山区高 架桥应用具有示范作用。
DM参数
材料应变难以准确反映结构进入非线性阶段损伤状态，地震作用 下变形能力不足是结构出现不同程度损伤及破坏的原因。此外，我国现 阶段桥梁结构在设计时往往采用基于位移的设计理论。综上所述选择截 面曲率和梁端支座位移作为DM参数更合理。
为充分体现地震动随机性采用实测地震波，卓越周期和震中距与 被研究结构所在地接近。持续时间取结构5倍结构基本周期。选取10条 地震动记录能达到一定精度。地震波沿纵桥向输入。
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地震波
3.基于IDA的桥梁易损性曲线建立具体步骤 第一步： 第二步： 第三步：
选取适当地震记录，确定地震动强度参数IM和结构 性能参数DM以及损伤指标Sc 用调幅系数ki对一条地震动进行多次强度调整，得 到一组强度按规律递增的地震动记录 用调幅后强度递增的地震动记录逐一对桥梁结构进 行多次非线性时程分析，得到各强度地震作用下对 应的具体结构性能参数具体值，在坐标系中确定 （IM，DM）点，将这些点连成线，得到单地震动 IDA曲线 选取多条不同地震动记录，重复第二、三步，将所 有曲线绘制在同一坐标中，得到多地震动IDA曲线 利用确定的各构件损伤指标计算地震需求Sd与相应 损伤指标Sc比值，将其与相应地震动强度绘在对数 坐标系中，得到桥梁结构能力需求比对数IDA曲线
y= -0.348x +0.895x-0.671
2
x=ln（PGA）
y= -0.348x +0.895x+0.310
2
/φ u）
y=ln（φ
y=ln（φ /φ c）
2 0 -2 -4
2 0 -2 -4
-6 -6 -2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0
效果图
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放一张概念图或者设计图是极好的
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2.梁截面与桥墩截面பைடு நூலகம்
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3.基于OpenSees建模 关键词：
Steel02 平截面假定 Concrete01 纤维梁单元
为满足上部结构在地震作用中处于弹 性状态，下部墩柱可进入弹塑性状态的抗 震设计思路，本文上部桁架梁采用线弹性 纤维梁单元模拟。针对第一联曲线上部梁， 建模时采用以直代曲思想，通过多边形拟 合实现上部连续曲线梁，用弹塑性纤维梁 单元模拟下部钢管混凝土格构墩。 第一联模型
增量动力分析（IDA）方法符合当今抗震设计与评估发 展思路，作为抗震性能及风险评估方法之一，无论在研究 上还是应用上已经在国内外得到很大发展。
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03
PART THREE
工程背景与及损伤指标
Engineering background and damage indexes
抗震性能：
经济效益：
钢管混凝土空间组合桁架 梁桥是一种新型桥梁结构，优
点众多。
开展该类结构抗震易损性 研究对了解其受力特点、推广 其应用于实际、降低该类桥梁
破坏导致的损失等意义重大。
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5
2.桥梁易损性研究意义
结构易损性（ seismic fragility ）通 常指在不同地震动强度作用下结构可 能出现各种损伤状态的概率。 地震带来的灾难严重，我国多 次发生大地震。512汶川大地 震让我们重新认识到桥梁对灾 后抢险救援的意义。抢险就是 抢时间。对重要桥梁开展抗震 易损性研究意义重大。 分析得到的桥梁易损性曲线对 于桥梁结构安全评估加固和抗 震设计都有实际参考意义，能 避免地震引起桥梁结构破坏可 能导致的巨大人员伤亡和经济 损失。
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PART FOUR
IDA曲线与易损性曲线
IDA curves and fragility curves
1.控制截面以及支座的IDA曲线 第二联
15#和16#钢管混凝土格构式桥墩墩底单肢截面四种损伤状态 IDA曲线和梁端支座两种损伤状态IDA曲线
第一联
IDA方法本质上属于参数分析方法， 分析地震动强度参数与结构性能参数 二者关系，因而对二参数的选择至关 重要。
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2.参数选择
IM参数
规则桥梁以一阶振型为主，故对第一周期附近频率成分最敏感， 将Sa(T1, 5%)作为IM参数得到离散性较好的IDA曲线；对高墩非规则桥 梁，受高阶振型影响明显，选用Sa(T1, 5%)的合理性有待于进一步研究。 本文选用PGA作为IM参数。
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5.本文主要研究内容 直线桥
采用IDA方法对干海子大桥第二联进行易损性研究，分析得到的 易损性曲线，获得该类桥梁抗震特点。
曲线桥
采用IDA方法对干海子大桥第一联进行易损性研究，并在此基础 上改变设计参数，建立多个对比模型，研究上部桁架梁曲率半径与墩跨 比二设计因素改变对该类曲线桥梁易损性影响。