rc桥梁结构地震易损性分析

rc桥梁结构地震易损性分析

rc桥梁地震易损性分析方法地震风险分析法是一种基于概率的结构抗疲劳动性能评价方法。它从概率意义上描述了振动强度与结构破坏状态之间的关系，并从宏观角度定量了结构的抗疲劳动性能。其中,地震动强度水平可用地震动烈度参数(IntensityMeasure,IM)来表征,结构响应的不确定性一般强烈地依赖于选取的地震动参数IM。因此,地震动参数IM的选择对于结构的地震易损性分析尤为重要。近些年来,地震工程研究者在桥梁结构的地震易损性方面做了大量的研究,积累了比较丰富的经验。Hwang等、Nielson、Padgett等通过采用易损性曲线的方法对桥梁结构进行地震易损性分析。由于强地震动的复杂性,采用单一IM尚不足以有效地表征地面运动,即忽视其它地震动强度信息,可能在估计结构强震性能时存在较大的离散性。Baker和Cornell的研究表明,多个IM组成的向量IM比单一IM包含更多的地震动信息,能够更加充分地描述地面运动的不确定性。Gehl和Seyedi等采用向量IM形成易损性曲面来研究框架结构的抗震性能。Li和Yi采用二个模糊烈度指标描述近场脉冲型地震动破坏势。为了更好地对RC桥梁的抗震性能进行评估,本文将易损性曲面方法拓展应用于近场地震动潜在破坏性效应对桥梁结构的影响分析,建立了RC桥梁地震易损性函数。以某城市桥梁为研究对象,同时考虑地面运动的不确定性(近场特性)以及桥梁结构本身的不确定性,形成RC桥梁结构在不同损伤状态下的易损性曲面。目前,国内外在基于易损性曲面的桥梁结构抗震性能评估研究还很少。1结构地震易损性美国太平洋地震工程研究中心(PEER)建议,结构易损性评估方法中,可采用地震烈度指标IM、结构损伤指标DM作中间变量,计算决策变量DV的超越概率:通常在结构性能评估中,一个充分的地震烈度指标IM可以保障在不考虑震级大小、震源距或及其它地震特性的条件下,对G(DM|IM)的估计同样具有较高的精度。然而,满足上述要求的IM并不容易选出,考虑到强地震动的不确定性。Gehl等在研究框架结构的地震易损性时发现:在结构的地震危险评估中,向量形式的IM诸如PGV,PGA/PGV),(Sa(T1),Sa(T2))等(Sa(T1)是结构第一自振周期处的谱加速度值;Sa(T2)是周期为T2处的谱加速度值,T2可以是结构的第二自振周期)能够更好地预测结构的损伤。目前,在结构地震易损性研究中,常用的地震动强度度量———参数IM主要包括峰值地面运动加速度PGA,峰值地面运动速度PGV,峰值地面运动位移PGD,对应于结构第一自振周期处的谱加速度值Sa(T1),对应于结构第二自振周期处的谱加速度值Sa(T2)以及PGV/PGA等。在进行桥梁结构的地震易损性分析时,标量IM并不能有效地表征地面运动的复杂特性,导致在估计桥梁结构抗震性能时存在较大的离散性。为了比较精确地估计桥梁结构的地震响应,本文基于向量IM对桥梁结构进行地震易损性分析。向量IM参数的选取原则为:保证向量IM的两个参数与桥梁各组成部件的安全系数均具有较强的相关性;同时还应该使向量IM两个参数之间的相关性尽可能地小。考虑到计算效率,本文对仍采用第一周期谱加速度Sa(T1)与第二周期谱加速度Sa(T2)构造向量IM。2构件易损性函数的建立为了导出不同强度地震动作用下,结构或构件反应达到或超越某一特定极限状态的概率,设Sd为构件需求,Sc为构件能力,则某构件的地震易损性失效概率可表示为:研究表明:Sd和Sc均可假定为服从对数正态分布,此时安全系数F=ln(Sd/Sc)服从正态分布,将ln(IM)与ln(Sd/Sc)进行回归分析即可求得ln(Sd/Sc)的均值和标准差,并绘制易损性曲线。而当地震动强度度量参数IM(传统采用PGA或Sa)采用由两个参数构成的向量式时,如vIM=(IM1,IM2),ln(Sd/Sc)的均值和标准差可分别表示为(a、b、c为回归系数,n为自由度数):式(2)转化成标准正态分布形式,则失效概率可由下式计算(Φ(·)为标准正态分布的累积函数):上式即为采用向量IM建立的构件易损性函数。对于结构各组成部件之间的相关性,本文采用Dunnett-Sobel(DS)相关模型考虑。令系统部件i(损伤等级k)的标准安全系数为Zik=(Fik-μkFi)/σkFi,假定Zik是DS相关模型中标准正态分布随机变量(当i≠j时,Zik与Zjk的相关系数为ρik,j=tik·tjk;当i=j时,相关系数为ρik,j=1)。根据DS相关模型中的定义,Zij为:其中,X和Ui是DS模型中的独立标准正态分布随机变量,对于给定的X=x,Zik与Zjk(i,j=1…N)是条件独立的;tik为DS相关模型参数,tik的合理取值应当能使ρik,j与tik·tjk之间的相对误差尽可能地小。考虑结构各组成部件之间相关性的影响,对于给定的向量IM和变量X=x,结构组件i的地震易损性可表示为:结构体系的易损性函数为:其中,集合K0k={k∈K,k≠[0,0,0,…,0,0]}为系统达到或超越指定损伤状态k的失效事件的总和。3桥梁结构模型以某两跨桥梁为研究对象,跨径布置为2×44m,墩高12m,主梁采用C50混凝土,桥墩采用直径为1.65m的实心混凝土圆形排架墩,混凝土强度等级为C40,纵向钢筋和箍筋都采用HRB335钢筋,纵向配筋率为1.2%,配箍率0.8%。桥台处采用聚四氟乙烯滑板支座;场地类别为Ⅱ类。采用有限元软件OpenSees对桥梁结构进行弹塑性动力时程分析。主梁采用弹性梁单元模拟;桥墩采用纤维截面塑性铰单元模拟,其中混凝土材料采用Concrete02,钢筋材料采用Steel02;桩-土-结构的相互作用通过Penzien模型加以考虑;为了更好地反映桥台的动力响应特性,采用Mackie等建议的弹簧桥台模型来模拟桥台。桥梁结构的分析模型如图1所示。桥梁结构的不确定性主要与钢筋和混凝土材料变异性有关。影响桥梁结构不确定性因素主要考虑钢筋屈服强度fy(均值263.48,变异系数0.072)、混凝土抗压强度fc(均值33.3,变异系数0.12)和上部结构容重w(均值26.25,变异系数0.1)三个参数。本文通过以上三种材料参数来考虑桥梁结构本身的不确定性,利用拉丁超立方抽样方法得到10个结构随机样本随机生成的结构样本。考虑到地震动的不确定性,根据Baker的研究,选取有明显脉冲效应的地震动记录100条,如图2所示。根据已建立的桥梁模型及选取的地震动,每个分析模型随机对应10条地震动记录,可得到100组桥梁-地震动样本对。利用OpenSees软件对这100组样本对进行非线性动力时程分析(输入方向为顺桥向),可求得各组工况下RC桥墩的峰值响应。4结构易受攻击的倾斜剖面的准备4.1桥墩损伤状态根据Hwang等提出的相对位移延性比RC桥墩损伤指标,桥墩在地震作用下的响应可用桥墩的相对位移延性比表示:式中:Δ为墩顶最大相对位移;Δcy1为墩底纵向钢筋首次达到屈服时墩顶的相对位移。本文采用桥墩的相对位移延性比定义桥墩的损伤状态,如表1所示,其中:μcy1为钢筋首次屈服时的位移延性比;μcy为等效屈服位移延性比;μc4为桥墩截面边缘混凝土压应变达到0.004时的位移延性比;μcmax为最大位移延性比,可表示为μcmax=μc4+3。同理,根据文献,得出其余构件(墩台、支座等)损伤指标。由地震动和桥梁模型分析回归,得出不同损伤时的地震需求和烈度关系,此处限于篇幅仅列出关键组件中等损伤为例,如表2所示。4.2地震易损性函数中等损伤状态下RC桥梁安全系数Fi2的均值和标准差可分别由表2的拟合函数和σ来表示,利用式(7)即可求得各组成部件在相应损伤状态下的地震易损性函数。基于向量烈度参数建立的地震易损性函数由于包含两个自变量,因此形成的不再是易损性曲线而是易损性曲面。图3给出了不同桥梁组件的易损性曲面。4.3与近场地震作用下桥墩、桥台土压力方向的关系通过分别对近场和一般场地地震作用下的桥梁结构进行地震易损性分析求得两种情况下桥梁各组成部件的地震易损性函数,由此可得到近场和一般场地地震作用下桥梁各组成部件地震易损性失效概率的等高线分布情况。如图4所示。从图4中可以看出,对于桥墩顺桥向,当IM的值取为(0.6,0.6)时,一般场地地震作用下桥墩地震易损性失效概率约为0.5,而近场地震作用下桥墩失效概率已经接近0.7;对于支座顺桥向,当向量IM的值取为(0.6,0.6)时,一般场地地震作用下支座失效概率约为0.7,而近场地震作用下失效概率已经达到0.85;对于桥台主动土压力方向,当向量IM的值取为(2,2)时,一般场地地震作用下桥台的地震失效概率约为0.14,而近场地震作用下桥台失效概率已经达到0.3;对于桥台被动土压力方向,当向量IM的值取为(2,2)时,一般场地地震作用下桥台失效概率约为0.34,而近场地震作用下桥台失效概率已经达到0.5以上。研究结果表明:在任意给定的向量IM(Sa(T1),Sa(T2))值的情况下,近场地震作用下桥梁各组成部件的地震易损性失效概率要明显大于一般场地地震作用下桥梁各组成部件的地震易损性失效概率。5结构地震易损性分析(1)地震易损性分析中,向量IM包含了更多的地震动信息,具有重要研究价值;(2)以Sa(T1)和Sa(T2)作为向量IM的两个参数