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近場地震作用下高鐵連續梁橋易損性分析

添加時間:2021/11/15 來源:未知 作者:樂楓
本文以連徐高速鐵路線中的新沂特大橋為工程背景,采用 OpenSees 軟件進行了近場脈沖型地震動下的易損性研究。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  我國地處環太平洋地震帶和亞歐地震帶之間,一直以來都是全世界內地震動最活躍的地區之一,接近半面國土都在地震高烈度區,許多高速鐵路橋梁不可避免的處于近斷層中。近些年來,近場地震動對工程結構造成的大量破壞引起了學者的廣泛關注,但我 國目前針對近場地震動的結構抗震設計與評估理論體系尚未形成,已有研究中考慮速度脈沖及豎向地震動等影響因素的較少。我國高速鐵路建設正處于快速發展期,近場地震動作用下高速鐵路橋梁抗震設計及安全性評估已成為必須考慮的內容。為此,本文以連徐高速鐵路線中的新沂特大橋為工程背景,采用 OpenSees 軟件進行了近場脈沖型地震動下的易損性研究。研究內容涉及高鐵連續梁橋動力特性及地震響應分析、基于 PCA 的近場脈沖型地震動強度指標選取、基于易損性方法的高鐵橋梁最不利地震動輸入方向分析、豎向地震動對高鐵連續梁橋易損性的影響分析等四個方面。主要研究內容包括:

  1)高鐵連續梁橋動力特性及地震響應分析。首先基于 OpenSees 建立了該橋的空間有限元模型;然后分析并驗證了該橋的動力特性;最后根據場地土條件,分別選取了 3條普通遠場地震動和 3 條近場脈沖型地震動,對比分析了主梁跨中順橋向位移、墩頂順橋向位移、墩底順橋向剪力、順橋向滑動支座位移和順橋向固定支座位移等在兩類地震動下的地震響應,并對主梁跨中順橋向位移響應進行了功率譜密度分析。

  2)基于 PCA 的近場脈沖型地震動強度指標選取。首先選取了 100 條近場脈沖型地震動對所建的該橋有限元模型進行了非線性動力時程分析。然后,采用 PCA(主成分分析方法)對所選橋梁構件的地震需求參數進行了降維處理,得到了橋梁結構的綜合地震需求響應。最后通過線性回歸建立了綜合地震需求參數和地震動強度的概率地震需求模型,從有效性、實用性和充分性三方面對 18 種不同地震動強度指標進行了評價。

  3)基于易損性方法的高鐵連續梁橋最不利地震動輸入方向分析。分別采用傳統方法和易損性分析方法確定了該橋的最不利地震動輸入方向,并將兩個方法得到的結果進行了對比。在充分考慮橋墩截面各方向抗震能力差異的基礎上,將全橋最不利輸入方向上的易損性曲線與順橋向和橫橋向最不利輸入方向上的易損性曲線進行了對比分析。

  4)豎向地震動對高鐵連續梁橋易損性的影響分析。首先對所選 100 條近場脈沖型地震動的豎向與水平向峰值加速度比值進行了分析;然后對比分析了不同豎向與水平向峰值加速度比值的固定中墩墩頂位移以及順橋向、橫橋向和最不利截面方向所對應最不利地震動輸入方向的易損性曲線。

  關鍵詞:高鐵橋梁;地震動輸入方向;豎向地震動;易損性曲線;截面方向;概率地震需求模型

  ABSTRACT

  China is adjacent to the Pacific seismic belt in the East and the Eurasian seismic belt in the  south. It has always been one of the countries with the strongest seismicity and the most serious  earthquake disaster in the world. Nearly half of the land area is located in the area of high  earthquake intensity, and many high-speed railway bridges are inevitably located in the near  fault. The serious impact of near-field earthquake on civil engineering structures has attracted  extensive attention. However, there is no theoretical system of structural seismic design and  evaluation specifically for near-field earthquake in China, and the impact of velocity pulse and  vertical ground motion is seldom considered in the existing research. In recent years, high?speed railways have developed rapidly in China, and the seismic safety of high-speed railway  bridges under the near-field earthquakes has become a must-consider. Hence, Xinyi Bridge on  the Lianxu high-speed railway line is used as the engineering background in this paper. Based  on the OpenSees software, the seismic fragility of the bridge under near-field pulse-type  earthquakes is performed. The research contents include four aspects: dynamic characteristics  and seismic response analysis of high-speed railway continuous girder bridge, assessment of  near-field pulse-type ground motion intensity parameters based on PCA method, analysis of the  critical angle of seismic incidence based on fragility method, and analysis of the influence of  vertical earthquakes on the fragility. The specific contents are as follows:

  1) Analysis of dynamic characteristics and seismic response of high-speed railway  continuous girder bridge. First, a spatial finite element model of the bridge was established  based on OpenSees. Then, the dynamic characteristics of the bridge were analyzed and verified.  Finally, according to the site soil conditions, three far-field and three near-field pulse-type  earthquakes are selected respectively, and the seismic responses under the two kinds of  earthquakes, such as the longitudinal displacement of the girder at the mid-span, vertical  displacement at the top of the pier, vertical shear at the bottom of the pier, longitudinal sliding  bearing displacement and longitudinal fixed bearing displacement, are compared and analyzed,  and the power spectral density of the longitudinal displacement response of the girder is  analyzed.

  2) Assessment of near-field pulse-type earthquake intensity parameters based on PCA  method. First, 100 near-field pulse-type ground motions were selected, nonlinear dynamic time?history analysis was performed. And the peak response values of bridge members were recorded.  On the basis, the PCA (Principal Component Analysis) method was used to reduce the  dimensionality of the seismic requirements of the bridge members, and the comprehensive  seismic demand response of the bridge was calculated. Then, a probabilistic relationship  between the ground motion intensity parameters and the comprehensive seismic requirements  of the bridge was established through regression analysis, and 18 different ground motion  intensity parameters were evaluated from three aspects of effectiveness, practicability and  adequacy.

  3) Analysis of the critical angle of seismic incidence for high-speed railway continuous  girder bridges based on fragility method. The traditional method and fragility analysis method  were used to determine the critical angle of seismic incidence of the bridge, and the results  obtained by the two methods were compared. Then, considering the difference in anti-seismic  capacity of the bridge in all directions, the fragility curves in the critical angle of seismic  incidence of the full bridge are compared with the fragility curves in the critical angle of seismic  incidence of the longitudinal and transverse directions.

  4) Analysis of the influence of vertical earthquake on the fragility of high-speed railway  continuous girder bridges. First, the vertical and horizontal peak acceleration ratios of 100  selected near-field pulse-type earthquakes were analyzed. Then, the fragility curves of the  critical angle of seismic incidence corresponding to the longitudinal, transverse, and the critical  cross-sectional directions of the fixed middle pier with different vertical and horizontal peak  acceleration ratios are compared.

  Key words: high-speed railway bridge; angle of seismic incidence; vertical earthquake;  fragility curve; cross-sectional direction; probabilistic earthquake demand model

新沂特大橋

目 錄

  第一章 緒論

  1.1 研究背景及意義

  近些年來,許多國家和地區對高速鐵路建設的重視程度不斷提高。已經運營和正在建設高速鐵路的國家也越來越多,高速鐵路建設已經成為世界鐵路發展的必然趨勢[1].

  與此同時,高速鐵路建設的技術也在不斷更新進步,運行速度越來越快,運輸能力越來越高,耗能越來越低,安全舒適程度越來越好等[2].目前,我國高速鐵路在運行速度、運行里程和建設規模等方面均已經走在了世界的最前列[3].

  目前,我國高速鐵路建設正處在快速發展期。截止至 2015 年,我國提出的以"四縱四橫"為主骨架的《中長期鐵路網規劃》已經基本建成。隨著 2016 年 9 月 10 日鄭州至徐州高速鐵路的開通運營,我國高速鐵路的運營里程已超過 2 萬公里,處于世界第一位[4].截至到 2018 年末,我國高速鐵路的營業里程達到 2.9 萬公里,是世界高速鐵路總里程的 2/3.規劃至 2025 年,我國高速鐵路總里程將達到 3.8 萬公里[5],鐵路網覆蓋范 圍進一步擴大,為我國經濟社會的快速提供保障。展望至 2030 年,我國鐵路網將基本實現縣域全面覆蓋的目標。我國在掌握高速鐵路建設核心技術的基礎上,不斷發展創新,目前總體技術水平已經處于世界領先水平。

  在高速鐵路建設中,為確保線路平順,"以橋代路"成為了最好的解決方法。我國已經建成的客運專線鐵路中,橋梁總長占整個鐵路線長度的 80%左右。在京滬高速鐵路中,橋梁占全線總長的比例達到 80.49%[6].此外,由于高速鐵路對地基的要求十分嚴格,"以橋代路"可以避開地基薄弱的區域,還可節約大量的用地面積[7].近年來的數據表明,在建和已建的高速鐵路中,橋梁占比呈現不斷擴大的趨勢,表 1.1 為我國已經運營的高速鐵路橋梁工程概況表。

  我國地處環太平洋地震帶和亞歐地震帶之間,一直以來都是全世界內地震動最活躍的地區之一,接近半面國土都在地震高烈度區[8-9].例如,我國 1976 年發生的 7.8 級唐 山大地震,2008 年發生的 8.0 級汶川大地震。在地震中,大量基礎設施遭受了破壞的嚴 重。據統計,在唐山大地震中,發生不同程度破壞的鐵路橋梁達到 39.3%,其中,遭受嚴重破壞的比例高達 17.7%[10].

  1995年日本神戶發生7.2級地震[11-13],這次地震最大的特點是近場效應十分顯著[14].

  阪神地震給基礎設施造成了十分嚴重的破壞,震源區域的公路和橋梁出現了大范圍的斷塌現象[15].附近的地鐵設施出現大量的出軌、翻車和停電等現象,最終全部停運。在破壞最為嚴重的地區,多座高架鐵路發生倒塌,橋梁墩柱發生斷裂,更有多條鐵路線發生明顯的下沉現象。交通設施的大面積破壞使得救災工作變得異常的困難,而關鍵主干道的修改需要花費數月的時間[14].阪神地震是日本當時有史以來最為嚴重的一次自然災害,引起當地以及世界研究人員的廣泛關注[16-18].值得關注的是,此次橋梁破壞最為嚴重的部位大都是橋墩開裂,研究人員認為這是由于設計時未考慮近場地震動方向脈沖的結果。

  2008 年在我國汶川發生的 8.0 級大地震,極震區發生不同程度破壞的橋梁高達兩千多座,其中百余座橋梁的承載能力發生嚴重下降,幾十余座橋梁發生倒塌。值得注意的是,近斷層附近橋梁的破壞程度及規模都明顯大于其他區域[19-20].百花大橋第 5 跨發生整體坍塌,幾乎全部橋墩都出現了壓裂現象。由此可見,與日本阪神大地震類似,近場地震動給橋梁結構帶來的破壞十分嚴重。

  隨著經濟的發展,我國高速鐵路的覆蓋面積將不斷擴大。圖 1.1 為我國 2030 年中長期高速鐵路網規劃圖,圖 1.2 為中國強震及地震帶分布圖。對比兩圖可以看出,未來高速鐵路橋梁將不可避免的跨越地震活躍帶,這將導致我國高鐵橋梁建設還將面臨巨大的挑戰。位于昆鐵路客運專線中的南沖大橋,雖然只有 164 米,但是需要跨越 9 度地震斷裂帶。根據"十三五"規劃,中西部地區將是未來重點建設區域,從圖 1.2 中可以看出,中西部地區地震帶分布十分密集,許多鐵路橋梁將不可避免的要面臨近場地震動的威脅。

  以世界上最難建設的川藏鐵路為例,需要跨越喜馬拉雅-中亞-地中海地震帶,這是世界兩大地震帶之一。綜上所述,從我國高鐵路網發展規劃來看,開展近斷層高鐵橋梁抗震研究具有重要的戰略意義。

  美國太平洋地震工程研究中心提出了一種基于概率的地震設計評估框架,其實際是根據全概率理論對結構或構件進行全面的地震風險評估。針對橋梁結構而言,地震風險評估可為前期的設計工作提供依據,同時,還可為在役橋梁結構的抗震加固提供有益參考。最重要的是,地震風險分析可對地震帶來的經濟損失及震后交通系統的功能恢復進 行評估。

  地震災害風險分析主要包括三個方面:危險性分析、易損性分析和災害損失分析。

  其中,地震易損性分析是指在某種破壞狀態下,結構的地震需求超過其抗震能力的概率[21-22].目前,針對高速鐵路橋梁進行地震易損性分析的研究尚少。因此,有必要針對高速鐵路典型橋梁地震易損性做進一步的研究。

  1.2 近場脈沖型地震作用下橋梁抗震的研究現狀

  目前,通常采用斷層距 R 來劃分遠、近場地震動,但是,國內外并沒有統一的斷層距 R 界限值。在國外,Krawinkler 和 Medina[23]在分析時將 R=13km 作為斷層距界限值;Mackie 和 Stojadinovic[24]以 R=15km 作為斷層距界限值;"P695 方法"[25]中以 R=10km作為斷層距界限值。而大多國內學者認為遠、近場地震動斷層距 R 界限值取 20km[26-27].

  近些年來發生的許多強烈地震進一步加深了人們對近場脈沖型地震動的認識,由于其對結構的強大破壞力,越來越多學者對橋梁結構在具有較大高能速度脈沖的近場地震動中的響應展開了研究。文獻[28]對近場脈沖型地震動的前方向效應和滑沖效應分別進行了探討,并與規范進行了對比。結果發現規范中關于近場脈沖型地震動的相關規定還有待完善。文獻[29]對比了遠、近場地震動作用下高鐵橋梁的彈塑性地震響應,結果表明近場地震動作用下的結構響應明顯大于遠場地震動,且由于近場地震動的方向脈沖效應,速度或位移在某些時段內是引起結構破壞的控制因素。文獻[30]研究了近場豎向地震動的特性及對連續梁橋的影響,統計分析發現近場地震動的豎向分量與水平分量的比值大都超過規范的建議值。同時,豎向地震動對主梁地震響應的影響明顯大于橋墩。文獻[31]對比了遠、近場地震動作用下隔震與非隔震連續橋梁的地震響應,研究表明隔震橋梁的橋墩地震響應明顯小于非隔震橋梁,近場地震動基本不影響隔震橋梁的橋墩地震響應。文獻[32]分析了近場脈沖型地震動作用下減隔震連續梁橋的響應特性,結果發現速度脈沖波能與地震響應近似成正比關系,說明速度脈沖波能的大小表征了該近場地震動的破壞能力。文獻[33]以大跨度剛構橋為研究對象,從破壞機理的角度對比分析了其在遠、近場地震動作用下的響應特性。并基于大量地震動分析了地震動參數與結構響應間的相關性。文獻[34]分析了行波效應、地震動輸入方向、樁土相互作用、墩高及跨數對近場脈沖型地震動作用下直線和曲線大跨剛構橋響應的影響。文獻[35]分析了兩種類型速度脈沖的近場地震動對隔震橋梁響應的影響,結果發現當脈沖周期接近隔震橋梁的基本周期時,其地震響應最大。此外還發現鉛芯橡膠支座的能量消散比能夠對近場放大效應產生較為明顯的影響。文獻[36]采用大量人工近場地震動,研究了空間效應和樁土相互作用對框架橋地震響應的影響。結果發現一致激勵和剛性梁地基理論并不能合理評估框架橋梁的碰撞問題。文獻[37]采用縮尺模型實驗,研究了具有高能量速度脈沖的近場地震動對鋼筋混凝土墩梁連接性能的影響。結果發現近場地震動的方向脈沖效應會明顯增大墩梁連接處的損傷程度,但不會改變其破壞機理。通過大量研究,人們對近場脈沖型地震動有了更為清晰的了解,但根據現有的研究成果,許多新的災害現象仍然無法解釋。因此,對于近場脈沖型地震動,仍有待進一步的探討與研究。

  1.3 橋梁地震易損性的研究現狀

  1.3.1 地震易損性概述

  地震易損性分析是指在某種破壞狀態下,結構的地震需求超過其抗震能力的概率[21],其特點是建立了地震需求和抗震能力之間的聯系,通常地震易損性分析也被稱為震害預測[38].地震易損性的表現形式通常包括易損性曲線函數和易損性指數這兩種[39].易損性指數的最終表達形式為破壞概率矩陣[22],相對易損性函數曲線而言不夠直接,所以在實際應用中使用的較少。易損性曲線函數是假設結構或構件的地震需求與地震動強度之間滿足一定的函數關系,其最終的表現形式為連續的易損性曲線,由于這種表達形式簡單直接,能被更廣大的工程相關人員所接受,所以應用較為普遍。

  1.3.2 橋梁結構地震易損性研究的方法及現狀

  早在 20 世紀 70 年代末,人們采用概率分析方法評估核電站等基礎設施在地震作用下的概率破壞風險,第一次對這些核基礎設施進行了地震易損性分析[40],從這以后,地震易損性分析方法被推廣應用到各類工程結構中。20 世紀 80 代末 90 年代初,地震易損性分析方法被首次用來評估橋梁結構的地震風險[41].隨著地震易損性分析方法的不斷發展,其易損性曲線的獲得形式越來越多。其中,根據數據來源的不同,大致可以分為以下四類:(1)基于專家數據庫的地震易損性分析;(2)基于歷史震害數據調查的經驗地 震易損性分析;(3)基于有限元模擬的理論地震易損性分析;(4)混合地震易損性分析。

  對于大多數學者而言,基于有限元模擬的地震易損性分析是最切實可靠的途徑。因此,本文主要對該類易損性分析方法進行詳細的介紹。

  基于有限元模擬的理論易損性分析,由于其所需的數據來源可控,研究人員可以選取所需的地震動和各類分析模型進行分析。同時,隨著近些年來有限元理論的發展和普及,間接的促進了該類易損性分析方法的發展。目前,基于有限元模擬的理論易損性分析方法在上述四種當中已然是應用最為廣泛的。此外,對于缺乏歷史橋梁震害數據的地區,基于有限元模擬的理論易損性分析方法是唯一可行的。

  基于彈性反應譜分析方法是最早的理論易損性曲線所需數據的來源,如 Ouyang 等 人[42]以美國 Kentucky 州某高速公路橋梁為研究對象,采用彈性反應譜分析方法對其地震易損性進行了評估分析。Jernigan 和 Hwang[43]以美國中東部地區橋梁為例,同樣采用彈性反應譜分析方法對其地震易損性進行了分析,同時,為了考慮結構地震需求的不確定性,首次將地震力系數引入到地震易損性分析當中,且取得了較為良好的效果。

  由于彈性反應譜分析無法考慮橋梁結構的非線性,基于靜力非線性分析方法的地震易損性曲線開始被大多學者所采用。文獻[44-47]針對美國不同地區的混凝土橋梁結構,都采用靜力非線性分析方法得到了其地震易損性曲線。

  隨著科技的進步,計算機性能更新速度越來越快,基于非線性時程分析方法的地震易損性分析被越來越多的科研人員所青睞[48-51].相對于靜力非線性法和彈性反應譜法,基于非線性時程分析方法進行地震易損性分析存在很多優勢:

 。1)非線性時程分析方法可以較為準確地考慮多種非線性特性(材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性等),因此得到的地震響應結果同實際結果更為接近;

 。2)非線性動力分析方法可以根據實際需求建立不同維度、考慮不同非線性的有限元模型;

 。3)非線性動力分析方法由于可以進行多地震動多模型分析,因此可以考慮地震動不確定性、邊界條件不確定性和結構材料不確定性等多種不確定性因素的影響。

  我國針對橋梁的地震易損性研究起步相對較晚。1988 年,周神根等[52]統計分析了272 座在唐山大地震中遭受不同程度破壞的鐵路橋梁的震害信息,考慮橋墩墩高、基礎類型和地震烈度等多種因素,基于最小二乘方法建立了鐵路橋梁的震害預測公式。1994年,朱美珍[53]總結分析了百余座公路橋梁的地震震害信息,以場地類別、地基失效程度和地震烈度等多個影響因素,基于數理統計回歸理論得到了公路橋梁的震害預測公式。

  以上這些都是基于歷史橋梁震害數據進行震后災害預測,屬于經驗地震易損性分析。然而,由于我國橋梁震害數據有限,形成的經驗地震易損性與實際結果相差較大,工程實踐指導意義不大。直到 2004 年,基于有限元模擬的理論易損性分析方法才被劉晶波和Hwang[54]引入國內,并介紹了理論易損性分析方法的詳細步驟。2005 年,張海燕等[55-56]

  基于 Pushover 分析方法,建立了不同類型場地條件下規則梁式橋的地震易損性曲線,并提出了一種簡化分析方法,然后通過與基于 IDA 方法得到的易損性曲線對比,驗證了該方法的有效性。2006 年,張菊輝[57]基于 IDA 方法建立了規則連續梁橋的地震易損性曲線,并分析了配筋率、配箍率和墩高等因素對其地震易損性曲線的影響。2007 年,王建民等[58]對比分析了基于非線性時程分析法和能力譜法的橋梁結構的地震易損性曲線。

  2009 年,黃明剛[59]采用概率地震需求模型建立了公路橋梁的地震易損性曲線。2010 年,馮杰[60]采用 IDA 方法和 Hwang 等[54]提出的方法,建立了不同場地條件下連續梁橋的地震易損性曲線。2011 以后,關于橋梁地震易損性的研究開始大量出現。

  此外,對于近幾年出現的關于我國橋梁結構地震易損性分析的研究成果,歸納總結后可以發現,都是針對不同類型的單體橋梁,基于較為成熟的理論地震易損性分析方法,對其抗震性能進行評估。主要包括規則梁式橋[61-62]、普通斜拉橋[63]、大跨高墩橋[64-66]、隔震梁橋[67-68]、矮塔斜拉橋[69-70]、斜腿剛構橋[71]、懸索橋[72]等。由此說明,我國橋梁結構的地震易損性研究已逐漸成熟,成果也越來越豐富。針對高速鐵路橋梁,文獻[73-81]

  從軌道系統、結構參數、多維地震動等方面對高速鐵路橋梁進行了地震易損性研究。相對而言,高速鐵路橋梁的地震易損性研究目前還處于探索階段,尚需進一步研究。

  1.4 豎向地震動對橋梁響應影響的研究現狀

  近些年來,全球范圍內發生了多次大地震,從這些強震中,我們獲得了豐富的近場脈沖型地震動記錄。此外,豎向地震動作用的痕跡在許多橋梁結構中都很明顯,部分結構的損傷甚至是由豎向地震作用直接導致的。特別是在近斷層區,豎向地震動的作用十 分明顯[82-87].

  根據我國《建筑抗震設計規范》規定,豎向地震動影響系數的峰值取為水平向的 65%,且與水平向地震動的譜型一致[88].但統計結果表明:豎向與水平向地震動峰值加速度比值會往往大于規范值[86, 89],部分豎向地震動峰值加速度甚至會超過水平向地震動峰值加速度[90-91].例如 1979 年美國 Imperial Valley 地震,距離近斷層約 10km 左右的 11 個地震動記錄中,豎向與水平向地震動峰值加速度比值的平均值達到 1.12,其中最大值高達2.4[92].此外,研究表明豎向和水平向地震動的譜型在許多情況下并不一致,與場地的卓越周期、場地土條件和震源距等因素有關[85, 93-96].

  鑒于此,國內外學者對豎向地震動下結構響應的研究日益重視。文獻[97]對包括橋梁在內的 8 種工程結構進行研究表明,如果不考慮豎向地震動,則會低估工程結構的倒塌風險,在近場地震動中將更為明顯。文獻[98]以高速公路橋梁為研究對象,表明考慮豎向地震動會增大結構的響應,加大橋梁破壞的風險。文獻[99]通過數值模擬和實驗結合相結合的方法分析了豎向地震動對混凝土橋墩性能的影響。文獻[100]發現近場脈沖型地震動中豎向分量對橋梁結構的影響明顯大于近場非脈沖型地震動。文獻[101]分析了豎向地震動對橋梁結構地震響應的影響,并考慮了支座摩擦系數、橋墩剛度及地震動輸入方向對分析結果的影響。文獻[102]分析了豎向地震動對連續剛構橋受力的影響,結果表明豎向與水平向峰值加速度比值越大,橋墩損傷情況越嚴重。以上研究均表明豎向地震動對結構的影響不容忽視,尤其是近場地震動。

  1.5 本文主要研究內容

  本文以連徐高速鐵路線中的新沂特大橋為工程背景,采用 OpenSees 軟件進行了近場脈沖型地震動下的易損性研究,技術路線如圖 1.3 所示。主要研究內容包括:

  1)高鐵連續梁橋動力特性及地震響應分析。首先基于 OpenSees 建立了該橋的空間有限元模型;然后分析并驗證了該橋的動力特性;最后根據場地土條件,分別選取了 3條普通遠場地震動和 3 條近場脈沖型地震動,對比分析了主梁跨中位移、墩頂順橋向位移、墩底順橋向剪力、順橋向滑動支座位移和順橋向固定支座位移等在兩類地震動下的地震響應,并對主梁跨中順橋向位移響應進行了功率譜密度分析。

  2)基于 PCA 的近場脈沖型地震動強度指標選取。首先選取了 100 條近場脈沖型地震動,分別進行了非線性動力時程分析,并記錄了橋梁構件在各地震動下的響應峰值。

  在此基礎上,采用 PCA(主成分分析方法)對橋梁構件的地震需求參數進行了降維處理,并計算了橋梁結構的綜合地震需求響應。然后通過回歸分析建立了地震動強度和橋梁結構綜合地震需求之間的概率性關系,從有效性、實用性和充分性三方面對 18 種不同地震動強度指標進行了評價。

  3)基于易損性方法的高鐵連續梁橋最不利地震動輸入方向分析。分別采用傳統方法和易損性分析方法確定了該橋的最不利地震動輸入方向,并將兩個方法得到的結果進行了對比。然后在充分考慮橋墩截面各方向抗震能力差異的基礎上,將全橋最不利輸入方向上的易損性曲線與順橋向和橫橋向最不利輸入方向上的易損性曲線進行了對比。

  4)豎向地震動對高鐵連續梁橋易損性的影響分析。首先對所選 100 條近場脈沖型地震動的豎向與水平向峰值加速度比值進行了分析;然后對比分析了不同豎向與水平向峰值加速度比值的固定中墩墩頂位移以及橫橋向、順橋向和最不利截面方向所對應最不利地震動輸入方向的易損性曲線。

  參考文獻

  第二章 高鐵連續梁橋動力特性及地震響應分析

  2.1 引言

  2.2 工程背景

  2.3 高鐵連續梁橋有限元建模

  2.3.1 主梁

  2.3.2 支座

  2.3.3 橋墩

  2.3.4 樁基

  2.4 高鐵連續梁橋動力特性分析

  2.5 高鐵連續梁橋地震響應分析

  2.6 本章小結

  參考文獻

  第三章 基于 PCA 的近場脈沖型地震動強度指標選取

  3.1 引言

  3.2 概率地震需求模型

  3.3 近場脈沖型地震動的選取

  3.4 基于 PSDM 的地震動強度指標評價標準

  3.4.1 地震動強度指標

  3.4.2 地震動強度指標評價標準

  3.5 近場脈沖型地震動強度指標選取

  3.5.1 PCA 基本原理介紹

  3.5.2 各構件地震需求參數權重的確定

  3.5.3 地震動強度指標評價

  3.6 本章小結

  參考文獻

  第四章 基于易損性方法的高鐵橋梁最不利地震動輸入方向分析

  4.1 引言

  4.2 易損性分析方法

  4.3 橋墩損傷指標的確定

  4.3.1 橋墩損傷指標

  4.3.2 墩底截面彎矩-曲率分析

  4.4 最不利地震動輸入方向分析

  4.4.1 固定中墩墩頂峰值位移分析

  4.4.2 固定中墩地震易損性分析

  4.5 本章小結

  參考文獻

  第五章 豎向地震動對高鐵連續梁橋易損性的影響分析

  5.1 引言

  5.2 豎向與水平向峰值加速度比值分析

  5.3 豎向地震動對固定中墩墩頂位移影響

  5.4 豎向地震動對高鐵連續梁橋易損性的影響

  5.4.1 LD 方向

  5.4.2 TD 方向

  5.4.3 CD 方向

  5.5 本章小結

  參考文獻

  第六章 結論與展望

  6.1 主要研究工作與結論

  我國地處環太平洋地震帶和亞歐地震帶之間,一直以來都是全世界內地震動最活躍的地區之一,接近半面國土都在地震高烈度區,許多高速鐵路橋梁不可避免的處于近斷層中。近些年來,近場地震動對工程結構造成的大量破壞引起了學者的廣泛關注,但我國目前針對近場地震動的結構抗震設計與評估理論體系尚未形成,已有研究中考慮速度脈沖及豎向地震動等影響因素的較少。我國高速鐵路建設正處于快速發展期,近場地震動作用下高速鐵路橋梁抗震設計及安全性評估已成為必須考慮的內容。目前我國基于地震易損性方法進行橋梁結構地震風險評估的研究較為缺乏,而且研究對象主要針對公路橋梁。因此,有必要針對高速鐵路典型橋梁地震易損性做進一步的研究。為此,本文以連徐高速鐵路線中的新沂特大橋為工程背景,采用 OpenSees 軟件進行了近場脈沖型地震動下的地震易損性研究。研究內容主要涉及高鐵連續梁橋動力特性及地震響應分析、基于 PCA 的近場脈沖型地震動強度指標選取、基于易損性方法的高鐵橋梁最不利地震動輸入方向分析、豎向地震動對高鐵連續梁橋易損性的影響分析等四個方面。研究結果可為高鐵連續梁橋的地震風險評估及抗震加固設計提供參考。本文的主要研究工作與結論具體包括:

  1)高鐵連續梁橋動力特性及地震響應分析。首先基于 OpenSees 建立了該橋的空間有限元模型;然后分析并驗證了該橋的動力特性;最后根據場地土條件,分別選取了 3條普通遠場地震動和 3 條近場脈沖型地震動,對比分析了主梁跨中位移、墩頂順橋向位移、墩底順橋向剪力、順橋向滑動支座位移和順橋向固定支座位移等在兩類地震動下的地震響應,并對主梁跨中順橋向位移響應進行了功率譜密度分析。所得主要結論包括:

  OpenSees、ANSYS 和 Midas Civil 所建橋梁模型的前五階振型一致,各階周期誤差最大僅為 1.26%,模型的正確性得到了有效驗證;同一地震動下,兩邊墩(1#墩和 4#墩)的地震響應基本一致,2#固定中墩的地震響應明顯大于 3#非固定中墩。2#固定中墩墩頂順橋向位移、順橋向滑動支座位移和主梁跨中順橋向位移三者基本一致。近場脈沖型地震動作用下橋梁主要構件的地震響應明顯大于普通遠場地震動。

  2)基于 PCA 的近場脈沖型地震動強度指標選取。首先選取了 100 條近場脈沖型地震動對所建的該橋有限元模型進行了非線性動力時程分析。然后,采用 PCA(主成分分析方法)對所選橋梁構件的地震需求參數進行了降維處理,得到了橋梁結構的綜合地震需求響應。最后通過線性回歸建立了綜合地震需求參數和地震動強度的概率地震需求模型,從有效性、實用性和充分性三方面對 18 種不同地震動強度指標進行了評價。所得主要結論包括:采用 PCA 對橋梁結構不同構件的地震需求響應參數進行降維處理,不僅可以有效減小工作量,同時還可以得到橋梁結構的最優地震動強度參數;由于近場脈沖型地震動具有明顯的脈沖效應,速度相關的地震動強度指標有效性和實用性相對指標較好;VSI 在有效性、實用性和充分性評價結果中均是最優的。

  3)基于易損性方法的高鐵連續梁橋最不利地震動輸入方向分析。分別采用傳統方法和易損性分析方法確定了該橋的最不利地震動輸入方向,并將兩個方法得到的結果進行了對比。然后在充分考慮橋墩截面各方向抗震能力差異的基礎上,將全橋最不利輸入方向上的易損性曲線與順橋向和橫橋向最不利輸入方向上的易損性曲線進行了對比。所得主要結論包括:任意水平雙向地震動輸入方向下,固定中墩墩頂峰值位移均在順橋向取得最大值,在橫橋向取得最小值;以墩頂峰值位移為指標得到的順橋向和橫橋向最不利地震動輸入方向和通過易損性得到的結果一致,分別為 160°和 50°,但兩者的易損性曲線則相差甚大,說明如果僅考慮順橋向和橫橋向在其最不利地震動輸入方向的易損性,則會嚴重低估橋梁的破壞概率;考慮橋墩各方向抗震能力的差異后,最不利的截面方向不再是順橋向,最不利截面方向發生各破壞狀態的概率大于順橋向和橫橋向。

  4)豎向地震動對高鐵連續梁橋易損性的影響分析。首先對所選 100 條近場脈沖型地震動的豎向與水平向峰值加速度比值進行了分析;然后對比分析了不同豎向與水平向峰值加速度比值的固定中墩墩頂位移以及橫橋向、順橋向和最不利截面方向所對應最不利地震動輸入方向的易損性曲線。所得主要結論包括:固定中墩墩頂位移隨著豎向與水平向地震動峰值加速度比值的增大而增大,但順橋向的增幅遠大于橫橋向;考慮豎向地震動后,順橋向和最不利截面方向達到四種破壞狀態的概率增大,且豎向與水平向地震動峰值加速度比值越大,相應的破壞概率越大;橫橋向破壞的概率基本不受豎向地震動的影響;豎向地震動不影響順橋向、橫橋向和最不利截面方向的最不利地震動輸入方向,但順橋向和最不利截面方向在最不利地震動輸入方向下達到各種破壞狀態的概率隨著豎向與水平向地震動峰值加速度比值的增大而增大,橫橋向影響較小。

  6.2 研究工作展望

  本文在近場脈沖型地震作用下高鐵連續梁橋易損性方面開展了一些研究工作,但限于作者水平及研究時間,研究工作尚不夠深入與全面,在以下幾個方面仍需進一步深入研究:

  1)考慮軌道系統的高鐵連續梁橋精細化建模。本文在建立高鐵連續梁橋有限元模型時,考慮到地震作用下軌道系統對橋的約束作用較小,且易損性分析的計算量較大,故選擇忽略軌道系統,以在保證合理性的基礎上提高研究效率。但可建立考慮軌道系統的精細化模型來進一步分析軌道系統的地震易損性。

  2)材料性能不確定性及性能劣化。結構易損性作為一種概率地震風險評估方法,能夠在一定程度上考慮地震動的不確定性是其優勢之一。但材料性能也存在一定不確定性,如鋼筋的屈服強度,混凝土的抗壓強度等,且這些材料性能是隨著時間而變化的,在進行地震易損性分析時可進一步考慮這個問題。

  3)高鐵連續梁橋系統地震易損性研究。本文主要以高鐵連續梁橋在地震作用下最易損構件的固定中墩為對象展開研究,而實際上,橋梁作為一個復雜的系統工程,在地震作用下的失效概率性往往要大于任何單個構件的失效概率。因此,可在考慮各構件相關性的基礎上進一步開展高鐵連續梁橋的系統地震易損性研究。

  4)橋梁參數對高鐵連續梁橋地震易損性影響研究。本文是以一座典型(48+80+48)m跨預應力混凝土高鐵連續梁橋為對象展開研究,而實際上,每座橋的墩高、跨度等參數基本是不同的。因此,可進一步分析墩高、跨度等參數對其地震易損性的影響,從而提高實際指導意義。

致 謝

  碩士三載,倏忽而逝,已然到了離別之際。再回首,往事依舊。三年里,收獲了知 識與歡樂,也經歷了挫折與坎坷。值此畢業之際,謹向所有幫助、關懷和支持過我的師 長、親人和朋友們致以最誠摯的謝意!

  首先,我要感謝導師王浩教授,本文是在王老師的悉心指導下完成的。從論文的選 題、開題到論文的撰寫及修改、直至最后的定稿,都傾注了王老師大量的精力與汗水。

  王老師不僅在學術上給予我細致的指導,還在生活中給予我諸多的關心和幫助。王老師在科研上的嚴謹、工作上的勤勉和為人處事上的低調謙遜將使我終身受益。感謝王老師的諄諄教誨,能成為王老師的學生使我倍感榮幸。涓涓師恩,情深意切,銘記于心,只愿師生情誼一生延續。

  非常感謝陶天友老師,您在課題組組會上醍醐灌頂的指點使我受益匪淺,您嚴謹求 實的科研態度是我們學習的榜樣。特別感謝鄭文智師兄在本文撰寫中提供的極大幫助,以及三年來在生活上給予的支持和鼓勵。感謝梁瑞軍師兄和沙奔師兄對本論文提出的寶 貴建議。感謝同門高宇琦、趙亞寧三年來的互幫互助,風雨兼程,攜手向前。感謝茅建校、祝青鑫、張一鳴、徐梓棟、荀智翔、張玉平、鄒仲欽、姚程淵、郜輝、郎天翼、倪有豪、何祥平、柳家為、衛俊嶺、暢翔宇、張寒、石棚、楊朝勇、賈懷喆、趙愷雍、徐寅飛等師兄弟多年來的關心與照顧,能和你們相識在龍虎潭這個溫暖的大家庭,是我一生寶貴的財富,我的研究生生涯因你們而更加豐富多彩,謝謝你們給我留下那么多美好的瞬間。

  感謝厲勇輝、盧干、劉一荻、沈文煜、周勇、蔣曉放、楊超宇、錢凱瑞等 418 教研室的伙伴們,與你們朝夕相處,共同成長是那么的快樂而美好。衷心祝愿你們前程似錦、鵬程萬里。

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