1、天津城建大學橋梁與隧道工程張 鐸Zhang Duo, Bridge and tunnel engineeringTianjin Chengjian university.基于IDA的鋼管混凝土空間組合桁架梁橋易損性研究Research of seismic vulnerability of CFST and space composite trussed girder bridge using IDA02030405基于IDA的易損性曲線建立方法Method for fragility curve based on IDA工程背景及損傷指標Engineering background and

2、damage indexIDA曲線與易損性曲線IDA curves and fragility curves結論ConclusionsCONTENT0201研究意義與背景Research significance and background01研究意義與背景Research significance and background PART ONE1.鋼管混凝土結構桁架梁橋研究意義優點眾多：抗震性能：吸能性和延性良好耐火性能：混凝土吸收部分熱量，減緩鋼材升溫。鋼管屈服，混凝土仍可承受壓力經濟效益：施工快（無模板），節約混凝土鋼管混凝土空間組合桁架梁橋是一種新型橋梁結構，優點眾多。開展該類結構抗

3、震易損性研究對了解其受力特點、推廣其應用于實際、降低該類橋梁破壞導致的損失等意義重大。5碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學形成互補：發揮鋼材抗拉和混凝土抗壓性能好的優點，克服混凝土自重大和空心鋼管剛度小的缺點2.橋梁易損性研究意義結構易損性（seismic fragility）通常指在不同地震動強度作用下結構可能出現各種損傷狀態的概率。04碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學地震帶來的災難嚴重，我國多次發生大地震。512汶川大地震讓我們重新認識到橋梁對災后搶險救援的意義。搶險就是搶時間。對重要橋梁開展抗震易損性研究意義重大。分析得到的橋梁易損性曲線對于橋梁結構安全評估加固和抗震設計都有實際參

4、考意義，能避免地震引起橋梁結構破壞可能導致的巨大人員傷亡和經濟損失。3.易損性發展過程70年代提出90年代初21世紀初2005年之后第一階段，主要采用實際調查方法來獲取統計意義上的易損性曲線。第二階段，對結構進行非線性時程分析，并用結構的損傷指標對地震動反應進行統計和比較分析，獲得結構地震易損性曲線。以上方法屬于純理論研究方法并得到廣泛認可。第三階段，采用多種概率性分析方法(貝葉斯原理、PDF插值技術等)和多種新型分析方法 (能力譜法、Pushover法等)并結合結構試驗數據對結構進行分析，但目前仍處于探索階段。6碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學4.國內外橋梁易損性研究動態、水平國內學者對

5、高墩（40m+）橋梁進行了大量抗震易損性分析，包過斜拉橋，鋼管混凝土拱橋，鋼筋混凝土連續梁橋、連續剛構橋、簡支梁橋等。對鋼管混凝土空間組合桁架梁橋易損性研究未見報道。直線橋7碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學國內外學者主要采用譜分析或彈性時程分析方法從自振特性或結構地震響應的角度研究曲線橋梁抗震性能。部分學者對傳統研究方法進行了創新改進。目前從基于IDA的易損性分析角度對曲線橋抗震性能的研究未見報道。曲線橋5.本文主要研究內容采用IDA方法對干海子大橋第二聯進行易損性研究，分析得到的易損性曲線，獲得該類橋梁抗震特點。直線橋8碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學采用IDA方法對干海子大橋第一聯

6、進行易損性研究，并在此基礎上改變設計參數，建立多個對比模型，研究上部桁架梁曲率半徑與墩跨比二設計因素改變對該類曲線橋梁易損性影響。曲線橋02基于IDA的易損性曲線建立方法Method for fragility curves based on IDAPART TWO1.增量動力分析（IDA）方法IDA方法本質上屬于參數分析方法，分析地震動強度參數與結構性能參數二者關系，因而對二參數的選擇至關重要。10碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學增量動力分析增量動力分析 (Incremental Dynamic Analysis ， IDA )方法通過將地震強度參數進行系數調整來建立一組強度遞增的地震動

7、輸入，并用這組調整過的地震波分別對結構進行非線性時程分析，來研究地震強度與結構性能之間關系的方法。2.參數選擇規則橋梁以一階振型為主，故對第一周期附近頻率成分最敏感，將Sa(T1, 5%)作為IM參數得到離散性較好的IDA曲線；對高墩非規則橋梁，受高階振型影響明顯，選用Sa(T1, 5%)的合理性有待于進一步研究。本文選用PGA作為IM參數。IM參數11碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學材料應變難以準確反映結構進入非線性階段損傷狀態，地震作用下變形能力不足是結構出現不同程度損傷及破壞的原因。此外，我國現階段橋梁結構在設計時往往采用基于位移的設計理論。綜上所述選擇截面曲率和梁端支座位移作為DM

8、參數更合理。DM參數為充分體現地震動隨機性采用實測地震波，卓越周期和震中距與被研究結構所在地接近。持續時間取結構5倍結構基本周期。選取10條地震動記錄能達到一定精度。地震波沿縱橋向輸入。地震波3.基于IDA的橋梁易損性曲線建立具體步驟用調幅系數ki對一條地震動進行多次強度調整，得到一組強度按規律遞增的地震動記錄第二步：用調幅后強度遞增的地震動記錄逐一對橋梁結構進行多次非線性時程分析，得到各強度地震作用下對應的具體結構性能參數具體值，在坐標系中確定（IM，DM）點，將這些點連成線，得到單地震動IDA曲線第三步：選取多條不同地震動記錄，重復第二、三步，將所有曲線繪制在同一坐標中，得到多地震動IDA

9、曲線第四步：12選取適當地震記錄，確定地震動強度參數IM和結構性能參數DM以及損傷指標Sc第一步：利用確定的各構件損傷指標計算地震需求Sd與相應損傷指標Sc比值，將其與相應地震動強度繪在對數坐標系中，得到橋梁結構能力需求比對數IDA曲線第五步：13碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學單地震曲線多地震曲線對數比曲線對上述IDA曲線進行非線性回歸分析，得到回歸均值和標準差，從而得到概率損傷第六步：14碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學根據計算結果繪制構件地震易損性曲線，結合聯合失效概率計算方法形成橋梁系統易損性曲線第七步：構件易損性曲線系統易損性曲線15碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學4.基

10、于IDA方法易損性分析優點增量動力分析（IDA）方法符合當今抗震設計與評估發展思路，作為抗震性能及風險評估方法之一，無論在研究上還是應用上已經在國內外得到很大發展。16碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學IDA方法優點展現出地震動荷載作用下橋梁結構從開始損傷到完全破壞整個過程保留了非線性時程分析保留了非線性時程分析與與非線性靜力非線性靜力分析分析優點優點橋梁易損性曲線，能橋梁易損性曲線，能顯示出不同地震強度顯示出不同地震強度下結構發生各級損傷下結構發生各級損傷的概率的概率考慮地震參數和高階考慮地震參數和高階振型對高墩橋梁抗震振型對高墩橋梁抗震性能的影響，性能的影響，適用于適用于高墩橋梁高墩橋梁

11、03工程背景與及損傷指標Engineering background and damage indexesPART THREE1.干海子大橋概況與全景圖“干海子特大橋”是我國已建成為數不多的鋼管混凝土桁架連續梁橋，是國家交通干線京昆高速公路控制性工程，位于四川雅安。該橋按雙向4車道設計，單幅橋面寬度12.25m，共計36跨，分三聯，第一聯為平曲線半徑320m左右曲線橋，第二聯近似考慮成直線橋；最小聯長268m，最大聯長1045m，橋總長1811m。某部件某部件18碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學效果圖該橋取得四項世界第一：目前總跨度最大全鋼管混凝土桁架梁橋；首座最高的鋼管混凝土格構橋墩、組

12、合橋墩、混合橋墩橋梁；該類工程中，它是單聯最長的連續結構；首次完全采用鋼纖維鋼管混凝土施工技術大型橋梁。相對于簡支T梁橋，該橋重量減少一半，混凝土用量減少9200立方米，鋼材用量減少4500噸，社會經濟效益十分顯著，是適合西部高烈度地區的橋梁結構形式。干海子大橋以其全球罕見的結構形式和技術上的創新和經驗，被我國多部門列為西部山區科技示范橋，對今后山區高架橋應用具有示范作用。四個第一：19碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學放一張概念圖或者設計圖是極好的20碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學2.梁截面與橋墩截面21碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學3.基于OpenSees建模第一聯模型為滿足

13、上部結構在地震作用中處于彈性狀態，下部墩柱可進入彈塑性狀態的抗震設計思路，本文上部桁架梁采用線彈性纖維梁單元模擬。針對第一聯曲線上部梁，建模時采用以直代曲思想，通過多邊形擬合實現上部連續曲線梁，用彈塑性纖維梁單元模擬下部鋼管混凝土格構墩。關鍵詞：Steel02Concrete01纖維梁單元平截面假定22碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學4.損傷指標利用彎矩-曲率圖和結構曲率延性系數得到各損傷狀態對應結構性能點作為損傷評判的依據。曲率延性系數取為地震反應下結構曲率與屈服曲率比值。23碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學24碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學將屈服曲率作為輕微損傷對應損傷指標，

14、曲率延性系數為各損傷等級相應截面曲率與屈服曲率之比。04IDA曲線與易損性曲線IDA curves and fragility curvesPART FOUR1.控制截面以及支座的IDA曲線15#和16#鋼管混凝土格構式橋墩墩底單肢截面四種損傷狀態IDA曲線和梁端支座兩種損傷狀態IDA曲線第二聯26碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學2#鋼管混凝土格構式橋墩墩頂和墩底單肢截面四種損傷狀態IDA曲線和梁端支座兩種損傷狀態IDA曲線第一聯15#橋墩能力需求對數比IDA曲線27碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學-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)通過回歸分析得到第二聯16#與15#橋墩各離散點相對于各自回歸曲線的平方差：123.56和88.79。16#橋墩平方差大于15#橋墩，即16#墩比15#墩IDA曲線離散性高，符合橋墩的高度越大，IDA曲線離散性越大的結論。說明本文得到IDA曲線比較符合實際。28碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學-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#橋墩能力需求對數比IDA曲線15#橋墩能力需求對數比IDA曲線2.構件易損性曲線得到IDA曲線后，基于前文步驟6中公式，利用擬合均值與方差得到易損性曲線。每個IDA曲線圖對應一條易損性曲線

18、。16#橋墩易損性曲線29碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學3.系統易損性曲線得到構件易損性曲線后，利用前文步驟7中的公式，分別得到系統易損性概率上下界。第二聯橋梁系統易損性曲線30碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學4.設計參數影響模型編號M1M2M3M4M5曲率半徑（m）3202001000320320墩高（m）50505070100墩跨比0.80.80.81.11.6對比模型參數取值：曲線半徑和墩跨比情況31碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學不同曲率半徑對應的橋梁系統易損性曲線曲率半徑對易損性影響32碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學0.00.20.40.60.81.01.21.41.60.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 損傷超越概率PGA（g） 曲率半徑200m 曲率半徑320m 曲率半徑1000m05結論PART FIVEConclusions 1.第二聯（直線橋）結論34碩士研究生答辯，張 鐸，天津城建大學縱向地震作用下，梁端支座損傷概率比墩柱高得多，梁端支座比橋墩更易損傷縱向地震作用下，在墩高變化最明顯區域內，相對矮橋墩比高橋墩墩底截面曲率大，對地震動更敏感。應注意墩高增減顯著區域抗震設防當墩高發生明顯變化時，首尾兩端與各端鋼筋混凝土橋墩相鄰的