中小跨径混凝土连续梁桥地震易损性研究

以国内常见的中小跨径混凝土连续梁桥为对象,考虑了桥墩、板式橡胶支座构件损伤,对桥梁系统进行了地震易损性分析。在桥梁易损性分析中,使用了超拉丁方抽样技术形成桥梁样本,从太平洋地震工程研究中心数据库中选取了大量地震波作为地震动输入样本,以桥墩漂移率、支座相对变形作为损伤指标,并对损伤指标予以了量化。在计算得到桥梁构件易损性曲线的基础上,使用一阶可靠度理论形成了桥梁系统易损性曲线的上下界限,并得出了桥梁不同损伤状态对应的具有统计意义的中位值地震动强度。研究结果对于在役的同类型桥梁抗震加固设计及地震灾害损失评估提供了理论依据。     

基于非参数核密度估计的桥梁结构地震易损性分析

针对桥梁结构构件常用地震易损性分析方法的不足,提出桥梁构件地震易损性分析的核密度估计方法。基于结构地震易损性条件概率的基本定义,重新定义易损性函数,采用概率统计中的非参数估计的核密度估计思想,实现地震动和抗震需求的联合概率密度分布函数、地震动边缘分布概率密度函数的估计,据此构建桥梁结构构件地震易损性的核密度估计算法。用Bootstrap重抽样方法验证所提易损性算法的正确性和可靠性。以一座刚构-连续组合体系桥梁为例,结合桥梁结构抗震设计规范,构建基于OpenSees软件平台的有限元模型,考虑结构参数不确定性和地震动的不确定性,基于增量动力分析和核密度估计,分析桥梁构件的地震易损性。同时分别用结构易损性分析参数估计的最大似然估计法和概率地震需求分析法、非参数估计的蒙特卡罗法计算结构地震易损性曲线,对比讨论4种结构地震易损性分析方法的结果,验证所提方法的正确性和可靠性。研究结果表明:相同计算精度条件下,所提桥梁结构地震易损性分析的核密度估计方法具有较好的计算效率,可用于桥梁结构构件的地震易损性分析中。     

两水准地震设防下的斜拉桥体系易损性分析

针对中国规范所定义的E1,E2地震下的结构性能进行的地震易损性研究尚不充分问题,提出两水准地震作用下结构性能的概率评估方法,推导了设计地震下地震风险的理论公式,并以特大跨斜拉桥为例来阐述该方法,建立考虑多种非线性效应的斜拉桥有限元模型,斜拉桥关键构件(桥塔、桥台、支座、阻尼器)和结构体系的概率需求地震模型以及地震易损性方程;拟合所在场地的地震危险性曲线方程,得到不同重现期地震下构件和体系的损伤概率;计算E1,E2两水准地震下的构件损伤概率,以多个构件的性能水平为目标,基于蒙特卡洛模拟抽样方法得到桥梁的体系易损性曲线,计算体系地震风险;基于提出的两水准地震设防下的斜拉桥体系易损性分析方法,进一步比较了使用阻尼器加固前后斜拉桥在E1和E2两水准地震下的体系易损性。结果表明:安装阻尼器以后斜拉桥在设计地震作用下的各个关键构件以及结构体系的损伤概率大大降低;表明两水准地震设防下的斜拉桥体系易损性分析方法可以为斜拉桥概率性抗震设计及加固提供实践方法。     

采用SMA智能橡胶支座的近断层大跨斜拉桥易损性分析

为提高大跨斜拉桥的抗震性能,提出了一种基于形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)的智能橡胶支座。以苏通长江大桥为研究对象,分别采用铅芯橡胶支座(LRB)和SMA-铅芯橡胶支座(SMA-LRB)对其进行抗震控制。基于PEER强震数据库选取了20条近断层地震动记录,采用增量动力分析(IDA)方法得到了该隔震斜拉桥的地震响应,基于可靠度概率方法建立了各构件及桥梁系统的易损性曲线,系统评估了采用传统支座及智能隔震支座的大跨斜拉桥体系及各构件的易损性。研究结果表明:斜拉桥体系的损伤概率高于单一构件的损伤概率;近断层地震动作用下,在斜拉桥体系发生中等、严重和完全损伤状态时,隔震支座的损伤概率均为各构件中最高,主塔损伤概率较低,仅出现轻微损伤;相较于LRB,安装SMA-LRB可明显降低斜拉桥体系的损伤概率;在强震作用下,主塔、桥墩及斜拉索发生完全破坏的概率小;安装LRB和SMA-LRB后斜拉桥体系发生完全破坏的损伤概率分别为0.07和0.009,表明该体系具有较强的抗震能力。     

桥梁复合随机地震易损性分析方法研究及应用

影响桥梁地震安全的不仅是地震强度,还包括桥梁结构材料强度、结构尺寸,以及其离散分布特征等,这些因素也不是唯一确定的,而是随机的。传统的桥梁地震易损性分析方法已无法满足要求,需要充分考虑地震、材料等因素的随机性。为了更加全面而充分地确定在多种不确定因素综合影响下,桥梁结构的地震易损性分布及影响规律,采用全概率方法进行桥梁地震易损性分析。针对目前结构地震易损性分析方法的不足,引入人工神经网络和蒙特卡罗技术,采用动量增量分析方法和推倒分析方法,同时考虑了桥梁结构参数的随机性和地震动输入的随机性,提出了桥梁复合随机地震易损性分析方法。主要分析步骤为:首先,分别对随机桥梁结构的抗力和随机地震响应进行特征统计,在此基础上,再应用蒙特卡罗和神经网络技术对桥梁结构在不同损伤状态下的超越概率进行统计,绘制桥梁结构复合地震易损性曲线。复合随机地震易损性分析方法从全概率的角度比较全面地反映了桥梁结构的地震易损性,并具有以下特点:(1)采用神经网络仿真结构随机性的非线性分析,大大提高了计算效率;(2)采用充足地震波进行动量增量分析,从而考虑了地震强度的随机性;(3)采用蒙特卡罗随机抽样分析方法,避免了求解析解的困难。     

不同约束体系对双层曲线梁桥地震响应的影响

双层曲线梁桥可以在较短距离内实现较大的爬高,由于特殊的结构形式使其地震响应有别于规则桥梁,而支座和限位装置组成的约束体系是影响桥梁结构地震响应的关键。为得到双层曲线梁桥的合理约束体系,基于一座双层曲线梁桥建立有限元模型,进行地震作用下的动力分析,对比球型钢支座、板式橡胶支座和盆式支座的位移和桥墩截面曲率,并将剪力销作为双层曲线梁桥的限位装置,研究剪力销与不同支座组成的约束体系对双层曲线梁桥结构地震响应的影响。结果表明:在地震作用下,双层曲线梁桥的上层支座位移普遍大于下层,双层约束体系使得桥墩中部的截面曲率和延性要比墩顶和墩底的小;球型钢支座的支座位移较小,传递到桥墩的地震力较大,设置剪力销后支座位移减小,桥墩损伤未发生明显变化;板式橡胶支座的支座位移较大,在地震动强度较小时就发生滑动,支座滑移可耗散能量使桥墩的损伤程度降低,但与剪力销组合后支座位移受到限制,传递到桥墩的地震力成倍增加,桥墩损伤最为严重;盆式支座的支座位移较小且上下层位移值最为接近,传递到桥墩的地震力较为均匀,在一定程度上保护了桥墩,考虑剪力销后,支座变形减小到允许范围之内,桥墩损伤略有增加。因此,本研究认为盆式支座与剪力销的组合是该双层曲线梁桥的合理约束体系。     

基于一类桥梁样本的混凝土简支桥梁地震易损性分析方法

基于一类简支桥梁样本进行地震易损性分析,通过非线性时程分析得到构件响应,建立概率需求模型。采用定义的损伤状态函数计算构件的易损性曲线,并通过各个构件连接方式的串联假定,计算得到桥梁体系的易损性曲线。分析可知,桥台是最易损的部位,如果各个构件相互独立,体系易损性曲线与最易损构件的易损性曲线相差无几。     

基于改进条件边缘乘积法的桥梁系统地震易损性分析方法

桥梁结构是由多种不同类型的构件按照一定的逻辑关系构成的结构系统。既有桥梁易损性分析中,通常基于构件的易损性曲线来评价整个桥梁系统的抗震性能。实际运营中的桥梁,在地震作用下,不同构件间相互影响,发生组合破坏将会增加桥梁系统整体失效概率。因此,将桥梁结构作为整体进行易损性分析能够更好地评估实际工程的抗震性能,弥补了既有分析方法的不足。以一座三跨预应力混凝土连续T梁桥为易损性分析对象,结合桥墩和支座两类构件的地震破坏,分别采用界限估计法、改进的条件边缘乘积法建立了算例桥梁系统易损性曲线。结果表明:界限估计法易受各失效模式排列顺序和相关性的影响,稳定性较差;改进的条件边缘乘积法,作为结构系统失效概率的一种近似求解法,解决了在多个失效模式并存下,结构系统可靠度问题中多维标准正态累计分布函数近似求解问题。后者计算精度较高,易于实现,适用于失效模式较多的复杂桥梁系统,具有一定的工程使用价值,为桥梁系统地震易损分析提供了借鉴参考。     

简支梁桥地震损伤演变过程分析及抗震设计建议

简支梁桥是我国使用最广泛的桥型,为明确其地震损伤演变过程,以典型的3跨简支梁桥为研究对象,采用Open Sees软件建立了精细化的有限元模型,并基于增量动力分析(IDA)方法进行了非线性时程分析。结果表明:板式橡胶支座和混凝土挡块是整个结构中最先发生损伤且损伤最严重的构件,桥墩损伤较轻,这一结论与近年来地震中采用板式橡胶支座的桥梁震害基本一致;连续梁桥震害与简支梁桥震害相近,但因连续梁桥上部结构质量较大,碰撞效应较明显;支座摩擦系数对桥梁上下部结构地震响应影响较大,为使桥梁整体损伤较小,可通过设计合理的支座,改变其支承接触面间的摩擦特性。     

不同破坏模式桥墩地震易损性及震后剩余承载力评估

震后桥梁通行能力预测与评估是抢险救援工作顺利进行的技术需求。桥墩是桥梁结构中重要的承载构件,地震作用下易发生损坏,由于设计参数的不同,将呈现弯曲破坏、弯剪破坏等不同破坏模式。应用理论易损性曲线法,以位移延性比来定义损伤指标,确定地震作用下桥墩弯曲破坏和弯剪破坏两种破坏模式的损伤程度判断标准,得到易损性曲线。为了分析桥梁震后通行能力,引入竖向承载能力折减系数作为损伤指标,对不同等级地震动作用下竖向承载能力的折减进行分析,并回归得到该损伤指标与地面震动加速度的函数关系。分析结果显示,相比弯曲破坏模式,桥墩在地震作用下发生弯剪破坏时达到中等破坏和完全破坏状态的概率随着地面震动加速度的增大而急剧增加。在弯剪破坏模式下,桥墩竖向剩余承载能力随着地面震动加速度的增加而下降的幅度也更大。需要在桥墩设计中合理选择参数避免弯剪破坏的发生。     

基于支座有限损伤的简支梁桥抗震设计方法

我国公路简支梁桥的使用量大面广,其抗震安全性对确保震后交通网络的畅通具有重要意义。采用统计分析和数值模拟等方法,对"5·12"汶川地震中958座简支梁桥的6 594组支座、2 136个桥墩的震害表现和简支梁桥震损过程进行分析,结果表明:对于位于烈度Ⅷ度及以上地区的桥梁,板式橡胶支座的震害难以避免,但支座破坏对桥墩具有保护作用。提出基于支座有限损伤的简支梁桥抗震设计思想和理论框架,容许支座出现有限损伤来保护桥墩。通过提出合理的支座性能目标、预测桥梁的地震响应和采取相应的限位措施来控制支座损伤。通过大量的计算分析提出B类桥梁的支座容许损伤定量指标。     

钢筋混凝土桥梁地震易损性分析方法

总结了地震作用下钢筋混凝土桥梁主要构件的理论易损性曲线的建立方法及其基本步骤,并且应该考虑到地面运动、本地土壤条件以及桥梁本身参数等不确定性。进一步说明如何考虑桥梁主要易损构件如桥墩、支座和桥台等对整个桥梁体系易损性的影响,并且利用概率工具从单个构件的易损性直接预计桥梁体系的易损性,表明桥梁作为一个体系比任何一个单独的构件更易损。     

无黏结预应力桥墩桥梁结构耐震时程分析

为了研究耐震时程法对于预应力钢管混凝土自复位桥墩桥梁地震响应捕捉的可行性,拓展其在结构领域的研究范围,进行了此方法在配有无黏结预应力桥墩桥梁的地震适用性分析。以一座采用预应力钢管混凝土桥墩的典型四跨连续梁为研究对象,在OpneSees软件中建立其三维有限元模型,并采用通过与增量动力分析(IDA)结果对比的方法,验证了ETM预测自复位桥梁地震响应的可行性;在可行性验证基础上,进一步采用耐震时程法分析了桥墩中引入预应力对自复位桥梁体系地震响应的影响。结果表明:耐震时程法可用于进行预应力自复位桥墩桥梁结构抗震性能评估,其能较好地预测出自复位桥梁结构的预应力大小和残余位移等地震响应。墩柱中的预应力对桥梁地震响应的影响与支座形式和地震动强度有关,对于上部结构,预应力能够减小主梁位移,但会增大固定支座的剪力;对于下部结构,顶部为滑动支座的墩柱受预应力影响较小,而顶部为固定支座的墩柱会因施加预应力而显著增大地震内力。因此,在进行此类桥梁抗震设计时,需综合考虑结构体系布置和桥址处地震基本烈度。     

高墩多塔斜拉桥地震动强度指标选择及易损性评估

为研究高墩多塔斜拉桥的抗震特性,以一座墩高178m的四塔斜拉桥为例,考虑材料和几何非线性,建立全桥有限元动力模型;选取长、短周期2类共80条实测地震波进行非线性时程分析;以4类能够反映斜拉桥响应特点的工程需求参数为对象,结合对数回归分析,对9种常用的地震动强度指标的可行性、有效性和适用性进行评价,并提出此类桥梁地震动强度指标的选择建议;结合各构件的损伤特点,合理定义支座系统、索塔、主梁和拉索的损伤指标;基于易损性分析理论,建立关键构件的易损性曲线,明确各类构件的易损位置,并对不同构件的损伤特性进行对比分析,进而提出改善此类桥梁抗震性能的思路。研究结果表明:高墩多塔斜拉桥不宜沿用常规桥梁的地震动强度指标进行地震响应预测,而应针对不同情况采用基本周期谱加速度或峰值谱位移;纵向地震作用下,支座系统、主梁和拉索均呈现出较高的损伤概率,而索塔的损伤相对较低;主梁的损伤主要集中在中跨1/4和3/4截面处,拉索的损伤主要集中在端锚索和中跨的长索;由于索塔的损伤远小于其他构件,而易损构件都是由于结构较大变形引起的,因而在此类结构的抗震设计中,控制位移或变形较控制索塔内力更加关键。     

钢筋混凝土柱式桥墩抗车撞可靠度分析研究

目前桥梁车撞以确定性指定事件分析居多,鲜有研究探讨车撞下桥墩的失效概率和可靠性,而制约其发展的主要原因是大样本下碰撞分析计算时的效率和精度问题。为此,探讨将简化分析模型与响应面、蒙特卡洛相结合的可靠度分析方法。首先,建立精细化的车辆撞击跨线桥梁模型,讨论了关键的混凝土本构参数取值问题,给出相应的修正方法。通过与全桥模型进行对比,研究不同简化桥梁结构分析模型的合理性,给出合理的简化桥梁结构分析模型,提高了计算效率。将建立的简化分析模型与响应面方法相结合,合理设置试验工况,通过精细化仿真分析建立车撞后桥墩剩余承载能力的响应面公式。采用建立的响应面作为替代模型,通过蒙特卡洛抽样方法对主要变量进行抽样,计算不同参数情况下的撞后剩余承载能力,基于撞后剩余承载能力的损伤指标,给出了不同损伤状态的失效概率和可靠度。研究结果表明：采用规范公式计算桥墩初始承载能力将会低估撞后桥墩损伤及相应的失效概率,偏于不安全;建立的响应面公式预测精度高,可作为车撞桥墩的替代模型,是一套完整、合理的车撞桥墩可靠度分析方法,可为柱式桥墩抗车撞可靠度设计提供参考。     

基于保险丝理论的BRB双柱墩易损性分析

为避免桥墩构件在地震荷载作用下遭受严重破坏,基于保险丝理论,假想利用防屈曲耗能支撑(Buckling-restrained brace,BRB)作为保险丝构件装入双柱墩,合理设计其核心耗能段长度,保证在水平地震力作用下BRB构件先于桥墩构件屈服,从而保护桥墩构件。文章采用OpenSees数值分析平台,建立普通双柱墩和不同刚度比BRB双柱墩模型,从结构水平刚度的角度、以BRB构件先发生屈服为原则推导BRB核心段长度范围,通过拟静力分析和增量动力分析(IDA)方法对结构抗震性能进行分析并建立易损性曲线,得到不同模型的易损性曲线。结果表明:在地震荷载作用下,BRB构件先于桥墩构件屈服,耗散地震能量,桥墩构件发生各个等级破坏的概率均有所下降。合理设计BRB构件可降低桥墩构件发生各等级破坏的可能性,且BRB刚度越大耗能越大。     

支座加载速度对高架桥地震响应的影响研究

为研究橡胶支座在不同加载速度下对高架桥地震响应的影响,以某公路连续高架桥为对象选取其中某一桥墩进行基于速度加载控制的实时子结构试验,对比分别采用天然橡胶支座、高阻尼支座和超高阻尼支座的桥梁在地震波作用下的动力响应随加载指数的变化,基于改进超弹性Zener模型采用MATLAB软件对桥梁的地震响应进行数值分析。结果表明:超高阻尼支座的速度相关性较强,高阻尼支座次之,天然橡胶支座的速度相关性较弱;支座的速度相关性对高架桥地震响应的影响随加载指数的增大而增大,加载指数从0.2增加到1.0,采用超高阻尼支座时桥梁的位移响应和内力响应减小最多,支座耗能降低最多。     

抗震加固对简支旧桥地震易损性的影响

我国早期建设的简支梁桥大多未进行抗震设计,对其进行抗震加固(如钢套管、碳纤维布、铅芯橡胶支座等)可减轻其震害。通过对加固前后的桥梁进行地震易损性分析,可以评价不同的抗震加固方法。首先参考桥梁抗震加固规范,对几种常见的抗震加固桥梁(如钢套管、碳纤维布等)进行建模;再采用增量动力分析(IDA)方法绘制加固前后的桥梁易损性曲线,定性对比分析得出:对墩柱进行加固会增加支座破坏概率;铅芯橡胶支座可大幅降低构件和结构的易损性;碳纤维加铅芯支座的组合加固方案可以最大程度降低桥梁结构的易损性,在不考虑经济条件的情况下为最优抗震加固方案。     

中承式钢管混凝土拱桥地震易损性分析

为了研究中承式钢管混凝土拱桥的地震易损性,基于国内工程实际和统计资料对拱桥相关参数进行取值,使用超拉丁法抽样形成桥梁样本,从太平洋地震工程研究中心数据库选取符合我国地质条件的地震记录作为地震动样本,对桥梁和地震样本进行配对;使用数值方法模拟相关动力响应,根据基于变形或内力和积累耗能的双重破坏准则判断其破坏状态。通过概率分析得到桥梁关于峰值加速度(PGA)的易损曲线和关于地震震级、震源距离的易损曲面,为地震风险评估抗震加固提供了理论依据。     

钢管混凝土拱桥地震损伤评估

为研究中承式钢管混凝土拱桥整体及各构件在地震作用下的损伤状态,基于变形或内力和累计耗能的双重破坏准则,分析拱桥在天津地震动作用下各构件的损伤指数和损伤状态。通过各构件加权的方式对桥梁整桥进行损伤评估。结果表明:地震作用对拱桥构件中支座和边跨墩柱的损伤程度最大,边跨桥墩基本处于中等破坏状态,在0.3g地震动下大部分支座处于严重损伤状态。峰值加速度为0.1g时拱桥整体处于轻微损伤状态,峰值加速度为0.2g到0.3g时拱桥整体处于中等破坏状态。