基于IDA的鋼管混凝土空間組合桁架梁橋易損性研究第1頁/共36頁01研究意義與背景ResearchsignificanceandbackgroundPARTONE第2頁/共36頁1.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)桁架梁橋研究意義優(yōu)點(diǎn)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(jīng)濟(jì)效益：施工快（無模板），節(jié)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(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)眾多。開展該類結(jié)構(gòu)抗震易損性研究對了解其受力特點(diǎn)、推廣其應(yīng)用于實(shí)際、降低該類橋梁破壞導(dǎo)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(xué)形成互補(bǔ)：發(fā)揮鋼材抗拉和混凝土抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)，克服混凝土自重大和空心鋼管剛度小的缺點(diǎn)

第3頁/共36頁2.橋梁易損性研究意義結(jié)構(gòu)易損性（seismicfragility）通常指在不同地震動強(qiáng)度作用下結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)各種損傷狀態(tài)的概率。04碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)地震帶來的災(zāi)難嚴(yán)重，我國多次發(fā)生大地震。512汶川大地震讓我們重新認(rèn)識到橋梁對災(zāi)后搶險(xiǎn)救援的意義。搶險(xiǎn)就是搶時(shí)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(jié)構(gòu)安全評估加固和抗震設(shè)計(jì)都有實(shí)際參考意義，能避免地震引起橋梁結(jié)構(gòu)破壞可能導(dǎo)致的巨大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。第4頁/共36頁3.易損性發(fā)展過程70年代提出90年代初21世紀(jì)初2005年之后第一階段，主要采用實(shí)際調(diào)查方法來獲取統(tǒng)計(jì)意義上的易損性曲線。第二階段，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，并用結(jié)構(gòu)的損傷指標(biāo)對地震動反應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較分析，獲得結(jié)構(gòu)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(rèn)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(shù)等)和多種新型分析方法(能力譜法、Pushover法等)并結(jié)合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)第5頁/共36頁4.國內(nèi)外橋梁易損性研究動態(tài)、水平國內(nèi)學(xué)者對高墩（40m+）橋梁進(jìn)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(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)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(bào)道。直線橋7碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)國內(nèi)外學(xué)者主要采用譜分析或彈性時(shí)程分析方法從自振特性或結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的角度研究曲線橋梁抗震性能。部分學(xué)者對傳統(tǒng)研究方法進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)。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(bào)道。曲線橋第6頁/共36頁5.本文主要研究內(nèi)容采用IDA方法對干海子大橋第二聯(lián)進(jìn)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(diǎn)。直線橋8碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)采用IDA方法對干海子大橋第一聯(lián)進(jìn)行易損性研究，并在此基礎(chǔ)上改變設(shè)計(jì)參數(shù)，建立多個(gè)對比模型，研究上部桁架梁曲率半徑與墩跨比二設(shè)計(jì)因素改變對該類曲線橋梁易損性影響。曲線橋第7頁/共36頁02基于IDA的易損性曲線建立方法MethodforfragilitycurvesbasedonIDAPARTTWO第8頁/共36頁1.增量動力分析（IDA）方法IDA方法本質(zhì)上屬于參數(shù)分析方法，分析地震動強(qiáng)度參數(shù)與結(jié)構(gòu)性能參數(shù)二者關(guān)系，因而對二參數(shù)的選擇至關(guān)重要。10碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)增量動力分析

(IncrementalDynamicAnalysis，IDA)方法通過將地震強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行系數(shù)調(diào)整來建立一組強(qiáng)度遞增的地震動輸入，并用這組調(diào)整過的地震波分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，來研究地震強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)性能之間關(guān)系的方法。第9頁/共36頁2.參數(shù)選擇規(guī)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(shù)得到離散性較好的IDA曲線；對高墩非規(guī)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(jìn)一步研究。本文選用PGA作為IM參數(shù)。IM參數(shù)11碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)材料應(yīng)變難以準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性階段損傷狀態(tài)，地震作用下變形能力不足是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度損傷及破壞的原因。此外，我國現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)往往采用基于位移的設(shè)計(jì)理論。綜上所述選擇截面曲率和梁端支座位移作為DM參數(shù)更合理。DM參數(shù)為充分體現(xiàn)地震動隨機(jī)性采用實(shí)測地震波，卓越周期和震中距與被研究結(jié)構(gòu)所在地接近。持續(xù)時(shí)間取結(jié)構(gòu)5倍結(jié)構(gòu)基本周期。選取10條地震動記錄能達(dá)到一定精度。地震波沿縱橋向輸入。地震波第10頁/共36頁3.基于IDA的橋梁易損性曲線建立具體步驟用調(diào)幅系數(shù)ki對一條地震動進(jìn)行多次強(qiáng)度調(diào)整，得到一組強(qiáng)度按規(guī)律遞增的地震動記錄第二步：用調(diào)幅后強(qiáng)度遞增的地震動記錄逐一對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次非線性時(shí)程分析，得到各強(qiáng)度地震作用下對應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)性能參數(shù)具體值，在坐標(biāo)系中確定（IM，DM）點(diǎn)，將這些點(diǎn)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(fù)第二、三步，將所有曲線繪制在同一坐標(biāo)中，得到多地震動IDA曲線第四步：12選取適當(dāng)?shù)卣鹩涗洠_定地震動強(qiáng)度參數(shù)IM和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)DM以及損傷指標(biāo)Sc第一步：利用確定的各構(gòu)件損傷指標(biāo)計(jì)算地震需求Sd與相應(yīng)損傷指標(biāo)Sc比值，將其與相應(yīng)地震動強(qiáng)度繪在對數(shù)坐標(biāo)系中，得到橋梁結(jié)構(gòu)能力需求比對數(shù)IDA曲線第五步：第11頁/共36頁13碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)單地震曲線多地震曲線對數(shù)比曲線第12頁/共36頁對上述IDA曲線進(jìn)行非線性回歸分析，得到回歸均值λ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，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(xué)根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制構(gòu)件地震易損性曲線，結(jié)合聯(lián)合失效概率計(jì)算方法形成橋梁系統(tǒng)易損性曲線第七步：第13頁/共36頁構(gòu)件易損性曲線系統(tǒng)易損性曲線15碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)第14頁/共36頁4.基于IDA方法易損性分析優(yōu)點(diǎn)增量動力分析（IDA）方法符合當(dāng)今抗震設(shè)計(jì)與評估發(fā)展思路，作為抗震性能及風(fēng)險(xiǎn)評估方法之一，無論在研究上還是應(yīng)用上已經(jīng)在國內(nèi)外得到很大發(fā)展。16碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)IDA方法優(yōu)點(diǎn)展現(xiàn)出地震動荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)從開始損傷到完全破壞整個(gè)過程保留了非線性時(shí)程分析與非線性靜力分析優(yōu)點(diǎn)橋梁易損性曲線，能顯示出不同地震強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)發(fā)生各級損傷的概率考慮地震參數(shù)和高階振型對高墩橋梁抗震性能的影響，適用于高墩橋梁第15頁/共36頁03工程背景與及損傷指標(biāo)EngineeringbackgroundanddamageindexesPARTTHREE第16頁/共36頁1.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(shù)不多的鋼管混凝土桁架連續(xù)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(shè)計(jì)，單幅橋面寬度12.25m，共計(jì)36跨，分三聯(lián)，第一聯(lián)為平曲線半徑320m左右曲線橋，第二聯(lián)近似考慮成直線橋；最小聯(lián)長268m，最大聯(lián)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(xué)第17頁/共36頁效果圖該橋取得四項(xiàng)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(gòu)橋墩、組合橋墩、混合橋墩橋梁；該類工程中，它是單聯(lián)最長的連續(xù)結(jié)構(gòu)；首次完全采用鋼纖維鋼管混凝土施工技術(shù)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(jīng)濟(jì)效益十分顯著，是適合西部高烈度地區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)形式。干海子大橋以其全球罕見的結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)上的創(chuàng)新和經(jīng)驗(yàn)，被我國多部門列為西部山區(qū)科技示范橋，對今后山區(qū)高架橋應(yīng)用具有示范作用。四個(gè)第一：19碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)第18頁/共36頁放一張概念圖或者設(shè)計(jì)圖是極好的20碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)第19頁/共36頁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(xué)第20頁/共36頁3.基于OpenSees建模第一聯(lián)模型為滿足上部結(jié)構(gòu)在地震作用中處于彈性狀態(tài)，下部墩柱可進(jìn)入彈塑性狀態(tài)的抗震設(shè)計(jì)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(lián)曲線上部梁，建模時(shí)采用以直代曲思想，通過多邊形擬合實(shí)現(xiàn)上部連續(xù)曲線梁，用彈塑性纖維梁單元模擬下部鋼管混凝土格構(gòu)墩。關(guān)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(xué)第21頁/共36頁4.損傷指標(biāo)利用彎矩-曲率圖和結(jié)構(gòu)曲率延性系數(shù)得到各損傷狀態(tài)對應(yīng)結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)作為損傷評判的依據(jù)。曲率延性系數(shù)取為地震反應(yīng)下結(jié)構(gòu)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(xué)第22頁/共36頁24碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)將屈服曲率作為輕微損傷對應(yīng)損傷指標(biāo)，曲率延性系數(shù)為各損傷等級相應(yīng)截面曲率與屈服曲率之比。第23頁/共36頁04IDA曲線與易損性曲線IDAcurvesandfragilitycurvesPARTFOUR第24頁/共36頁1.控制截面以及支座的IDA曲線15#和16#鋼管混凝土格構(gòu)式橋墩墩底單肢截面四種損傷狀態(tài)IDA曲線和梁端支座兩種損傷狀態(tài)IDA曲線第二聯(lián)26碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)2#鋼管混凝土格構(gòu)式橋墩墩頂和墩底單肢截面四種損傷狀態(tài)IDA曲線和梁端支座兩種損傷狀態(tài)IDA曲線第一聯(lián)第25頁/共36頁15#橋墩能力需求對數(shù)比IDA曲線27碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)第26頁/共36頁通過回歸分析得到第二聯(lián)16#與15#橋墩各離散點(diǎn)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(jié)論。說明本文得到IDA曲線比較符合實(shí)際。28碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)16#橋墩能力需求對數(shù)比IDA曲線15#橋墩能力需求對數(shù)比IDA曲線第27頁/共36頁2.構(gòu)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(gè)IDA曲線圖對應(yīng)一條易損性曲線。16#橋墩易損性曲線29碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)第28頁/共36頁3.系統(tǒng)易損性曲線得到構(gòu)件易損性曲線后，利用前文步驟7中的公式，分別得到系統(tǒng)易損性概率上下界。第二聯(lián)橋梁系統(tǒng)易損性曲線30碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)第29頁/共36頁4.設(shè)計(jì)參數(shù)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(shù)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(xué)第30頁/共36頁不同曲率半徑對應(yīng)的橋梁系統(tǒng)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(xué)第31頁/共36頁05結(jié)論P(yáng)ARTFIVEConclusions

第32頁/共36頁1.第二聯(lián)（直線橋）結(jié)論34碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)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(qū)域內(nèi)，相對矮橋墩比高橋墩墩底截面曲率大，對地震動更敏感。應(yīng)注意墩高增減顯著區(qū)域抗震設(shè)防當(dāng)墩高發(fā)生明顯變化時(shí)，首尾兩端與各端鋼筋混凝土橋墩相鄰的首個(gè)鋼管混凝土格構(gòu)式橋墩震動響應(yīng)較大，為抗震薄弱環(huán)節(jié)第33頁/共36頁2.第一聯(lián)（曲線橋）結(jié)論35碩士研究生答辯，張鐸，天津城建大學(xué)縱向地震作用下，橋墩比梁端