桥梁易损性分析

1、天津城建大学桥梁与隧道工程张 铎Zhang Duo, Bridge and tunnel engineeringTianjin Chengjian university.基于IDA的钢管混凝土空间组合桁架梁桥易损性研究Research of seismic vulnerability of CFST and space composite trussed girder bridge using IDA02030405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

2、damage indexIDA曲线与易损性曲线IDA curves and fragility curves结论ConclusionsCONTENT0201研究意义与背景Research significance and background01研究意义与背景Research significance and background PART ONE1.钢管混凝土结构桁架梁桥研究意义优点众多：抗震性能：吸能性和延性良好耐火性能：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经济效益：施工快（无模板），节约混凝土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

3、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。5硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学形成互补：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。04硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学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

4、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。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。6硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学4.国内外桥梁易损性研究动态、水平国内学者对

5、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。直线桥7硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学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。曲线桥5.本文主要研究内容采用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。直线桥8硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学采用IDA方法对干海子大桥第一联

6、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。曲线桥02基于IDA的易损性曲线建立方法Method for fragility curves based on IDAPART TWO1.增量动力分析（IDA）方法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。10硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学增量动力分析增量动力分析 (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

7、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。2.参数选择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。IM参数11硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学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

8、参数更合理。DM参数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。地震波3.基于IDA的桥梁易损性曲线建立具体步骤用调幅系数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第二步：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曲线第三步：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

9、曲线第四步：12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第一步：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曲线第五步：13硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学单地震曲线多地震曲线对数比曲线对上述IDA曲线进行非线性回归分析，得到回归均值和标准差，从而得到概率损伤第六步：14硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学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第七步：构件易损性曲线系统易损性曲线15硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学4.基

10、于IDA方法易损性分析优点增量动力分析（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。16硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学IDA方法优点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保留了非线性时程分析保留了非线性时程分析与与非线性静力非线性静力分析分析优点优点桥梁易损性曲线，能桥梁易损性曲线，能显示出不同地震强度显示出不同地震强度下结构发生各级损伤下结构发生各级损伤的概率的概率考虑地震参数和高阶考虑地震参数和高阶振型对高墩桥梁抗震振型对高墩桥梁抗震性能的影响，性能的影响，适用于适用于高墩桥梁高墩桥梁

11、03工程背景与及损伤指标Engineering background and damage indexesPART THREE1.干海子大桥概况与全景图“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。某部件某部件18硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学效果图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

12、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。四个第一：19硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学放一张概念图或者设计图是极好的20硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学2.梁截面与桥墩截面21硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学3.基于OpenSees建模第一联模型为满足

13、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。关键词：Steel02Concrete01纤维梁单元平截面假定22硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学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。23硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学24硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学将屈服曲率作为轻微损伤对应损伤指标，

14、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。04IDA曲线与易损性曲线IDA curves and fragility curvesPART FOUR1.控制截面以及支座的IDA曲线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曲线第二联26硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学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曲线第一联15#桥墩能力需求对数比IDA曲线27硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学-2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8

15、 -0.6 -0.4 -0.2 0.0-4-20246810y= -0.348x2+0.895x+1.408 y=ln（/l）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 0.0-4-202468y= -0.348x2+0.895x+0.718 y=ln（/y）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 0.0-6-4-202468y= -0.348x2+0.895x+0.310 y=ln（/c）x=ln(PG

16、A)-2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0-6-4-20246y= -0.348x2+0.895x-0.671 y=ln（/u）x=ln(PGA)通过回归分析得到第二联16#与15#桥墩各离散点相对于各自回归曲线的平方差：123.56和88.79。16#桥墩平方差大于15#桥墩，即16#墩比15#墩IDA曲线离散性高，符合桥墩的高度越大，IDA曲线离散性越大的结论。说明本文得到IDA曲线比较符合实际。28硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学-2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2

17、 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0-4-20246810y= -0.348x2+0.895x+1.408 y=ln（/l）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 0.0-8-6-4-2024681012y=0.390 x2+2.177x+3.037 y=ln（/l）x=ln(PGA)16#桥墩能力需求对数比IDA曲线15#桥墩能力需求对数比IDA曲线2.构件易损性曲线得到IDA曲线后，基于前文步骤6中公式，利用拟合均值与方差得到易损性曲线。每个IDA曲线图对应一条易损性曲线

18、。16#桥墩易损性曲线29硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学3.系统易损性曲线得到构件易损性曲线后，利用前文步骤7中的公式，分别得到系统易损性概率上下界。第二联桥梁系统易损性曲线30硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学4.设计参数影响模型编号M1M2M3M4M5曲率半径（m）3202001000320320墩高（m）50505070100墩跨比0.80.80.81.11.6对比模型参数取值：曲线半径和墩跨比情况31硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学不同曲率半径对应的桥梁系统易损性曲线曲率半径对易损性影响32硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学0.00.20.40.60.81.01.21.41.60.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 损伤超越概率PGA（g） 曲率半径200m 曲率半径320m 曲率半径1000m05结论PART FIVEConclusions 1.第二联（直线桥）结论34硕士研究生答辩，张 铎，天津城建大学纵向地震作用下，梁端支座损伤概率比墩柱高得多，梁端支座比桥墩更易损伤纵向地震作用下，在墩高变化最明显区域内，相对矮桥墩比高桥墩墩底截面曲率大，对地震动更敏感。应注意墩高增减显著区域抗震设防当墩高发生明显变化时，首尾两端与各端钢筋混凝土桥墩相邻的