rc橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性分析

rc橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性分析

rc橋梁地震易損性分析方法地震風(fēng)險分析法是一種基于概率的結(jié)構(gòu)抗疲勞動性能評價方法。它從概率意義上描述了振動強度與結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)之間的關(guān)系，并從宏觀角度定量了結(jié)構(gòu)的抗疲勞動性能。其中,地震動強度水平可用地震動烈度參數(shù)(IntensityMeasure,IM)來表征,結(jié)構(gòu)響應(yīng)的不確定性一般強烈地依賴于選取的地震動參數(shù)IM。因此,地震動參數(shù)IM的選擇對于結(jié)構(gòu)的地震易損性分析尤為重要。近些年來,地震工程研究者在橋梁結(jié)構(gòu)的地震易損性方面做了大量的研究,積累了比較豐富的經(jīng)驗。Hwang等、Nielson、Padgett等通過采用易損性曲線的方法對橋梁結(jié)構(gòu)進行地震易損性分析。由于強地震動的復(fù)雜性,采用單一IM尚不足以有效地表征地面運動,即忽視其它地震動強度信息,可能在估計結(jié)構(gòu)強震性能時存在較大的離散性。Baker和Cornell的研究表明,多個IM組成的向量IM比單一IM包含更多的地震動信息,能夠更加充分地描述地面運動的不確定性。Gehl和Seyedi等采用向量IM形成易損性曲面來研究框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。Li和Yi采用二個模糊烈度指標(biāo)描述近場脈沖型地震動破壞勢。為了更好地對RC橋梁的抗震性能進行評估,本文將易損性曲面方法拓展應(yīng)用于近場地震動潛在破壞性效應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析,建立了RC橋梁地震易損性函數(shù)。以某城市橋梁為研究對象,同時考慮地面運動的不確定性(近場特性)以及橋梁結(jié)構(gòu)本身的不確定性,形成RC橋梁結(jié)構(gòu)在不同損傷狀態(tài)下的易損性曲面。目前,國內(nèi)外在基于易損性曲面的橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能評估研究還很少。1結(jié)構(gòu)地震易損性美國太平洋地震工程研究中心(PEER)建議,結(jié)構(gòu)易損性評估方法中,可采用地震烈度指標(biāo)IM、結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)DM作中間變量,計算決策變量DV的超越概率:通常在結(jié)構(gòu)性能評估中,一個充分的地震烈度指標(biāo)IM可以保障在不考慮震級大小、震源距或及其它地震特性的條件下,對G(DM|IM)的估計同樣具有較高的精度。然而,滿足上述要求的IM并不容易選出,考慮到強地震動的不確定性。Gehl等在研究框架結(jié)構(gòu)的地震易損性時發(fā)現(xiàn):在結(jié)構(gòu)的地震危險評估中,向量形式的IM諸如PGV,PGA/PGV),(Sa(T1),Sa(T2))等(Sa(T1)是結(jié)構(gòu)第一自振周期處的譜加速度值;Sa(T2)是周期為T2處的譜加速度值,T2可以是結(jié)構(gòu)的第二自振周期)能夠更好地預(yù)測結(jié)構(gòu)的損傷。目前,在結(jié)構(gòu)地震易損性研究中,常用的地震動強度度量———參數(shù)IM主要包括峰值地面運動加速度PGA,峰值地面運動速度PGV,峰值地面運動位移PGD,對應(yīng)于結(jié)構(gòu)第一自振周期處的譜加速度值Sa(T1),對應(yīng)于結(jié)構(gòu)第二自振周期處的譜加速度值Sa(T2)以及PGV/PGA等。在進行橋梁結(jié)構(gòu)的地震易損性分析時,標(biāo)量IM并不能有效地表征地面運動的復(fù)雜特性,導(dǎo)致在估計橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能時存在較大的離散性。為了比較精確地估計橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),本文基于向量IM對橋梁結(jié)構(gòu)進行地震易損性分析。向量IM參數(shù)的選取原則為:保證向量IM的兩個參數(shù)與橋梁各組成部件的安全系數(shù)均具有較強的相關(guān)性;同時還應(yīng)該使向量IM兩個參數(shù)之間的相關(guān)性盡可能地小?？紤]到計算效率,本文對仍采用第一周期譜加速度Sa(T1)與第二周期譜加速度Sa(T2)構(gòu)造向量IM。2構(gòu)件易損性函數(shù)的建立為了導(dǎo)出不同強度地震動作用下,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件反應(yīng)達到或超越某一特定極限狀態(tài)的概率,設(shè)Sd為構(gòu)件需求,Sc為構(gòu)件能力,則某構(gòu)件的地震易損性失效概率可表示為:研究表明:Sd和Sc均可假定為服從對數(shù)正態(tài)分布,此時安全系數(shù)F=ln(Sd/Sc)服從正態(tài)分布,將ln(IM)與ln(Sd/Sc)進行回歸分析即可求得ln(Sd/Sc)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,并繪制易損性曲線。而當(dāng)?shù)卣饎訌姸榷攘繀?shù)IM(傳統(tǒng)采用PGA或Sa)采用由兩個參數(shù)構(gòu)成的向量式時,如vIM=(IM1,IM2),ln(Sd/Sc)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差可分別表示為(a、b、c為回歸系數(shù),n為自由度數(shù)):式(2)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布形式,則失效概率可由下式計算(Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累積函數(shù)):上式即為采用向量IM建立的構(gòu)件易損性函數(shù)。對于結(jié)構(gòu)各組成部件之間的相關(guān)性,本文采用Dunnett-Sobel(DS)相關(guān)模型考慮。令系統(tǒng)部件i(損傷等級k)的標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)為Zik=(Fik-μkFi)/σkFi,假定Zik是DS相關(guān)模型中標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機變量(當(dāng)i≠j時,Zik與Zjk的相關(guān)系數(shù)為ρik,j=tik·tjk;當(dāng)i=j時,相關(guān)系數(shù)為ρik,j=1)。根據(jù)DS相關(guān)模型中的定義,Zij為:其中,X和Ui是DS模型中的獨立標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機變量,對于給定的X=x,Zik與Zjk(i,j=1…N)是條件獨立的;tik為DS相關(guān)模型參數(shù),tik的合理取值應(yīng)當(dāng)能使ρik,j與tik·tjk之間的相對誤差盡可能地小?？紤]結(jié)構(gòu)各組成部件之間相關(guān)性的影響,對于給定的向量IM和變量X=x,結(jié)構(gòu)組件i的地震易損性可表示為:結(jié)構(gòu)體系的易損性函數(shù)為:其中,集合K0k={k∈K,k≠[0,0,0,…,0,0]}為系統(tǒng)達到或超越指定損傷狀態(tài)k的失效事件的總和。3橋梁結(jié)構(gòu)模型以某兩跨橋梁為研究對象,跨徑布置為2×44m,墩高12m,主梁采用C50混凝土,橋墩采用直徑為1.65m的實心混凝土圓形排架墩,混凝土強度等級為C40,縱向鋼筋和箍筋都采用HRB335鋼筋,縱向配筋率為1.2%,配箍率0.8%。橋臺處采用聚四氟乙烯滑板支座;場地類別為Ⅱ類。采用有限元軟件OpenSees對橋梁結(jié)構(gòu)進行彈塑性動力時程分析。主梁采用彈性梁單元模擬;橋墩采用纖維截面塑性鉸單元模擬,其中混凝土材料采用Concrete02,鋼筋材料采用Steel02;樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用通過Penzien模型加以考慮;為了更好地反映橋臺的動力響應(yīng)特性,采用Mackie等建議的彈簧橋臺模型來模擬橋臺。橋梁結(jié)構(gòu)的分析模型如圖1所示。橋梁結(jié)構(gòu)的不確定性主要與鋼筋和混凝土材料變異性有關(guān)。影響橋梁結(jié)構(gòu)不確定性因素主要考慮鋼筋屈服強度fy(均值263.48,變異系數(shù)0.072)、混凝土抗壓強度fc(均值33.3,變異系數(shù)0.12)和上部結(jié)構(gòu)容重w(均值26.25,變異系數(shù)0.1)三個參數(shù)。本文通過以上三種材料參數(shù)來考慮橋梁結(jié)構(gòu)本身的不確定性,利用拉丁超立方抽樣方法得到10個結(jié)構(gòu)隨機樣本隨機生成的結(jié)構(gòu)樣本?？紤]到地震動的不確定性,根據(jù)Baker的研究,選取有明顯脈沖效應(yīng)的地震動記錄100條,如圖2所示。根據(jù)已建立的橋梁模型及選取的地震動,每個分析模型隨機對應(yīng)10條地震動記錄,可得到100組橋梁-地震動樣本對。利用OpenSees軟件對這100組樣本對進行非線性動力時程分析(輸入方向為順橋向),可求得各組工況下RC橋墩的峰值響應(yīng)。4結(jié)構(gòu)易受攻擊的傾斜剖面的準(zhǔn)備4.1橋墩損傷狀態(tài)根據(jù)Hwang等提出的相對位移延性比RC橋墩損傷指標(biāo),橋墩在地震作用下的響應(yīng)可用橋墩的相對位移延性比表示:式中:Δ為墩頂最大相對位移;Δcy1為墩底縱向鋼筋首次達到屈服時墩頂?shù)南鄬ξ灰啤１疚牟捎脴蚨盏南鄬ξ灰蒲有员榷x橋墩的損傷狀態(tài),如表1所示,其中:μcy1為鋼筋首次屈服時的位移延性比;μcy為等效屈服位移延性比;μc4為橋墩截面邊緣混凝土壓應(yīng)變達到0.004時的位移延性比;μcmax為最大位移延性比,可表示為μcmax=μc4+3。同理,根據(jù)文獻,得出其余構(gòu)件(墩臺、支座等)損傷指標(biāo)。由地震動和橋梁模型分析回歸,得出不同損傷時的地震需求和烈度關(guān)系,此處限于篇幅僅列出關(guān)鍵組件中等損傷為例,如表2所示。4.2地震易損性函數(shù)中等損傷狀態(tài)下RC橋梁安全系數(shù)Fi2的均值和標(biāo)準(zhǔn)差可分別由表2的擬合函數(shù)和σ來表示,利用式(7)即可求得各組成部件在相應(yīng)損傷狀態(tài)下的地震易損性函數(shù)?；谙蛄苛叶葏?shù)建立的地震易損性函數(shù)由于包含兩個自變量,因此形成的不再是易損性曲線而是易損性曲面。圖3給出了不同橋梁組件的易損性曲面。4.3與近場地震作用下橋墩、橋臺土壓力方向的關(guān)系通過分別對近場和一般場地地震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)進行地震易損性分析求得兩種情況下橋梁各組成部件的地震易損性函數(shù),由此可得到近場和一般場地地震作用下橋梁各組成部件地震易損性失效概率的等高線分布情況。如圖4所示。從圖4中可以看出,對于橋墩順橋向,當(dāng)IM的值取為(0.6,0.6)時,一般場地地震作用下橋墩地震易損性失效概率約為0.5,而近場地震作用下橋墩失效概率已經(jīng)接近0.7;對于支座順橋向,當(dāng)向量IM的值取為(0.6,0.6)時,一般場地地震作用下支座失效概率約為0.7,而近場地震作用下失效概率已經(jīng)達到0.85;對于橋臺主動土壓力方向,當(dāng)向量IM的值取為(2,2)時,一般場地地震作用下橋臺的地震失效概率約為0.14,而近場地震作用下橋臺失效概率已經(jīng)達到0.3;對于橋臺被動土壓力方向,當(dāng)向量IM的值取為(2,2)時,一般場地地震作用下橋臺失效概率約為0.34,而近場地震作用下橋臺失效概率已經(jīng)達到0.5以上。研究結(jié)果表明:在任意給定的向量IM(Sa(T1),Sa(T2))值的情況下,近場地震作用下橋梁各組成部件的地震易損性失效概率要明顯大于一般場地地震作用下橋梁各組成部件的地震易損性失效概率。5結(jié)構(gòu)地震易損性分析(1)地震易損性分析中,向量IM包含了更多的地震動信息,具有重要研究價值;(2)以Sa(T1)和Sa(T2)作為向量IM的兩個參數(shù)