工程与技术科学基础学科

基于概率性地震需求模型的桥梁易损性分析

郑凯锋，陈力波，庄卫林，等

摘要：目的：桥梁地震易损性模型对于交通系统损失风险评估、桥梁抗震加固修复决策及地震后紧急应急方案完善等都具有非常重要的指导意义。本论文旨在针对汶川地区典型简支梁桥，采用概率性地震需求分析方法，建立汶川地区典型简支梁桥的分析型地震易损性模型。方法：首先介绍了汶川地区某典型简支梁桥基本资料，详细分析了包括主梁、支座、桥墩、帽梁、基础、桥台等桥梁主要构件的结构参数、材料本构及模拟方法，基于 OpenSees建立了桥梁结构的非线性有限元模型。选择汶川地震实测记录作为桥梁非线性动力分析的原始输入地震波，对地震记录分别进行了基准线校准、滤波和截断修正。针对桥梁模型参数的不确定性进行分析，采用拉丁超立方抽样方法对其进行抽样并生成一系列桥梁的有限元模型样本。基于前述修正后的汶川地震实测记录对模型样本进行非线性动力时程分析，同时记录每一组分析中桥梁构件的地震峰值响应，建立桥梁主要构件的概率性地震需求模型。在确定了桥梁不同损伤状态对应的构件极限状态基础上，依据对数正态分布假设基于此前建立的概率性地震需求模型，生成不同损伤状态对应的桥梁构件地震易损性曲线，同时基于可靠度理论计算得到桥梁系统易损性的上下确界。结果：（1）依据概率性地震需求分析可知，地震动强度指标PGA与构件地震响应需求在对数空间下相关性并不理想，两者最大相关系数为 0.731，因此有必要对不同地震动强度指标进行进一步的分析比较研究。（2）依据桥梁构件地震易损性分析可知，不同损伤状态对应的各构件地震易损性差异较大。最易发生轻微破坏损伤状态的桥梁构件为桥台，对应的PGA中位值为0.1803 g；最易发生完全垮塌损伤状态的桥梁构件为支座，对应的PGA中位值为0.9458 g。对于汶川地震典型简支桥梁，其墩柱的地震易损性优于其他两种桥梁构件。（3）依据桥梁系统地震易损性分析可知，不同损伤状态对应的桥梁构件地震易损性与桥梁系统易损性上下确界差异较大，总体而言系统易损性明显高于构件易损性，因此如果单纯采用桥梁构件（如墩柱）易损性作为桥梁系统的易损性刻画会导致较大误差。（4）采用一阶边界方法确定桥梁系统易损性的上下确界之间亦有较大差别，不同损伤状态下两者对应的PGA均值之间最大差异达到130%，因此可进一步采用Monte Carlo方法对系统易损性进行更为精确详实的分析研究。结论：本文采用概率性地震需求分析方法，建立了桥梁主要构件地震响应需求与地震动强度之间的关系，在确定桥梁构件极限状态基础上，建立了不同损伤状态对应的桥梁构件地震易损性模型，最后基于可靠度理论对桥梁系统地震易损性进行了分析。研究成果进一步揭示了桥梁动力学行为和地震响应机理，提升了桥梁地震易损性建模分析的精度和效率，可为后续该类型桥梁抗震评估及加固决策提供依据。

来源出版物：工程力学, 2013, 30(5): 165-171

入选年份：2017

薄钢板PEC柱-钢梁端板对拉螺栓连接滞回性能试验研究

马吉，方有珍，陆承铎，等

摘要：目的：为了研究薄钢板组合截面PEC柱—钢梁连接中节点的抗震性能，本文通过对节点试件进行水平循环荷载下的滞回性能试验，研究组合柱布置与梁削弱截面位置变化对其抗震性能的影响规律。方法：试件设计根据试件设计根据实际层高为3.6 m的框架底层中节点为原型，取上下柱反弯点高度0.625倍缩尺制作试件，其中钢柱采取 Q235薄钢板焊接组合截面(构件 S1A与S1C 的柱为同一柱）和I18工字钢。钢梁与端板连接采用手工焊；钢梁端板与PEC柱采用8.8级 M18高强螺栓连接，混凝土初步设计值为C20。试验加载方案：试件S1B以3 mm为初级，以后按3 mm递增（最后两级为9 mm），试件S1A、试件S1C以6 mm为加载级；试件S1B加载至99 mm，试件S1A加载至90 mm，试件S1C加载至72 mm，每级荷载采取2个循环；加载至试件承载力下降到极限承载力 85%或侧移超过 3.5%作为试验结束标志。结果：（1）荷载较小时，节点转动变形主要来自于高强螺栓弹性变形，卸载时螺栓变形恢复，残余变形极小，结构基本复位；随着荷载的继续，梁削弱截面处翼缘逐渐屈服并逐渐向腹板扩展，整个截面屈服后，节点转动主要由梁削弱截面形成塑性铰提供。（2）试件S1B为弱轴初始刚度最小，试件S1A和S1C十分接近，表明初始刚度对削弱截面位置并不敏感，而柱截面布置的是影响节点抗侧刚度的关键因素。（3）试件S1A和S1B在峰值荷载前后有较长的水平屈服平台，显示试件具有较好延性和后期变形能力；试件S1C由于削弱截面的外移，导致节点刚度偏大和承载力有一定程度的提高，但由于梁与端板连接处焊缝缺陷导致过早断裂使得试验未继续进行，而已有数据分析表明在焊缝确保质量条件下，应具有较好延性。（4）试件S1A由于其中梁削弱截面进入屈服较快，且较为充分，耗能相对最优，试件SIB由于PEC柱采用弱轴布置，“强柱弱梁”要求满足较S1A相对差，梁进入屈服延缓，但耗能较为充分；试件SIC虽然采用PEC柱强轴布置，但由于削弱截面外移，造成“强柱弱梁”要求满足最差，较大程度延缓了梁进入屈服的进程，先期耗能最小。结论：由于薄钢板组合截面 PEC 柱在节点部位连接加强板，增强了节点域范围混凝土的约束作用，此外采用对拉螺栓连接，可以将梁受拉翼缘的拉力转化为节点域的压力，有效实现节点域混凝土压力带传力机理，充分发挥了混凝土的抗压性能，更有利于实现“强节点”的目标；削弱截面方式增设梁的薄弱面，有利于梁塑性铰的形成，从而更好满足抗震的“强柱弱梁”的要求，并充分发挥削弱部位的塑性耗能能力；连接部位梁柱抗弯刚度匹配对节点“强柱弱梁”条件是否满足起关键作用，也相应控制了节点连接的耗能方式；节点的破坏模式为钢梁削弱截面或连接部位附近截面屈服。

来源出版物：工程力学, 2013, 30(6): 107-115

入选年份：2017