叠合柱高墩大跨连续刚构桥概率地震易损性及风险分析

摘要

连续刚构桥因其跨越能力大、地形适应性强、造价适中等优势，成为西部山区跨越峡谷地形的主要桥型。由于受地形限制，连续刚构的桥墩越来越高，不断刷新原有记录，而由于钢筋混凝土自重大、延性差的缺点，已经成为桥墩向更高发展的瓶颈。采用钢管混凝土叠合柱作为大跨径连续刚构桥的桥墩，是突破这一瓶颈的一个新的尝试。由于叠合柱材料的本构模型、力学性能和破坏方式等均与钢筋混凝土有较大差异，对其抗震性能和损伤评估缺乏系统的研究。因此，深入系统地研究钢管混凝土叠合柱高墩大跨径连续刚构桥的抗震性能和损伤规律，对这一桥梁新型结构的设计和推广应用，均具有重要的意义。本文采用数值模拟和概率解析方法，对叠合柱高墩大跨径连续刚构桥的概率地震易损性分析和概率地震风险分析进行研究，主要研究内容如下:
　　(1)应用纤维模型对50个相同尺寸不同强度的叠合柱截面样本进行偏心受压破坏的全过程数值模拟，获得截面的P-M-φ曲线。根据样本数值模拟的破坏状态，将叠合柱截面划分为弹性和非弹性、需要修复和不需要修复、可修复和不可修复、倒塌和不倒塌四个性能目标和无损伤、轻微损伤、中等损伤、严重损伤、完全损伤五个损伤状态。根据截面不同纤维材料破坏应变在P-M-φ曲线上的映射，考虑偏心受压状态轴力的变化，不考虑纤维材料参数的不确定性，建立了以轴力为变量的叠合柱截面确定性抗震能力模型。同时，考虑纤维材料参数的不确定性，根据50个抽样样本偏心受压数值模拟结果，分析不同损伤状态曲率指标的统计分布规律，建立以轴力为变量的叠合柱概率抗震能力模型。
　　(2)以一座跨径为105m+200m+200m+105m叠合柱高墩连续刚构桥为例，选择17条符合场地特征的实际地震波，以PGA为地震动参数，考虑P-△效应，分别输入每条地震波进行动力弹塑性时程分析和其中的一条地震波进行IDA分析，获得纵、横向地震作用下地震需求沿墩高的分布规律，确定桥墩的最不利截面作为地震需求分析的控制截面。考虑桥墩截面材料参数和地震动的不确定性，分别输入17条实际地震波进行IDA计算，对计算结果进行统计分析，建立叠合柱桥墩控制截面以PGA为变量的概率地震需求模型。
　　(3)应用可靠度理论，分别推导考虑结构和地震动不确定性以及只考虑地震动不确定性的地震易损性函数解析表达式。根据概率抗震能力和概率抗震需求的参数统计值，获得纵、横向地震输入下叠合柱高墩控制截面的地震易损性曲线，分析了墩柱发生不同损伤的规律以及结构不确定性对易损性曲线的影响。根据桥墩控制截面的易损性曲线，用一阶界限法估算了叠合柱高墩大跨径连续刚构桥结构体系发生不同损伤的超越概率，获得桥梁结构体系的易损性曲线。
　　(4)根据地震动参数概率模型，研究了我国现有不同地震基本烈度地区的地震危险性，并根据概率地震易损性分析结果和概率风险函数解析表达式，对叠合柱高墩连续刚构桥的概率地震损伤风险和概率地震需求风险进行分析，并对两种风险概率进行对比。根据年地震风险分析的结果，获得设计基准期内叠合柱桥墩的地震风险概率和结构体系的地震风险概率，并根据我国现行公路桥梁抗震设防标准，对叠合柱高墩大跨径连续刚构桥的抗震性能进行评估。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 钢管混凝土叠合柱的研究现状

1．2．1 叠合柱静力性能研究

1．2．2 叠合柱动力性能研究

1．2．3 叠合柱桥墩的研究现状

1．3 高墩抗震研究现状

1．4 桥梁地震易损性分析的研究现状

1．4．1 经验易损性分析

1．4．2 解析易损性分析

1．5 结构地震风险分析研究现状

1．6 本文的研究工作

1．6．1 本文研究内容

1．6．2 研究方法及技术路线

第2章 弹塑性地震响应分析的方法与模型

2．1 弹塑性分析方法

2．1．1 静力弹塑性分析方法

2．1．2 动力弹塑性时程分析方法

2．1．3 增量动力分析方法

2．2 基于柔度法的弹塑性纤维梁柱单元

2．2．1 基本假定

2．2．2 截面柔度矩阵

2．2．3 纤维梁柱单元柔度矩阵

2．3 材料的本构模型

2．3．1 无约束和箍筋约束混凝土本构模型

2．3．2 钢管约束混凝土本构模型

2．3．3 钢材本构模型

2．4 弹塑性分析平台

2．5 小结

第3章 钢管砼叠合柱高墩概率抗震能力分析

3．1 结构的损伤准则和损伤状态

3．1．1 结构的损伤准则

3．1．2 结构的损伤状态及量化

3．2 结构随机变量及抽样

3．2．1 材料强度的统计特征

3．2．2 拉丁超立方抽样

3．3 截面样本偏心受压全过程模拟

3．3．1 数值模拟的样本概况

3．3．2 材料应变

3．3．3 数值模拟的轴力—弯矩—曲率分析

3．4 叠合柱的损伤状态及损伤指标

3．4．1 截面极限状态和损伤状态

3．4．2 曲率指标的量化

3．4．3 考虑材料不确定性的曲率指标分布

3．4．4 考虑材料不确定性的概率抗震能力模型

3．4．5 不考虑材料不确定性的抗震能力模型

3．5 小结

第4章 叠合柱高墩连续刚构概率地震需求分析

4．1 地震波和地震动强度参数

4．1．1 地震波的选取

4．1．2 地震动强度指标

4．2 桥梁概况及有限元模型

4．2．1 桥梁概况

4．2．2 有限元模型

4．2．3 结构—地震动样本

4．3 纵向概率地震需求模型

4．3．1 多条地震波时程分析

4．3．2 单条地震波IDA分析

4．3．3 纵向地震作用下桥墩控制截面

4．3．4 纵向概率地震需求模型

4．4 横向概率地震需求模型

4．4．1 多条地震波分析

4．4．2 单条地震波IDA分析

4．4．3 横向地震作用下桥墩控制截面

4．4．4 横向概率地震需求模型

4．5 小结

第5章 叠合柱高墩连续刚构地震易损性分析

5．1 概率易损性分析的方法

5．2 地震易损性函数解析式

5．3 桥墩纵向易损性曲线

5．3．1 输入轴力和抗力统计特征值

5．3．2 纵向全概率易损性曲线

5．3．3 纵向地震作用下墩柱损伤规律

5．4 结构不确定性对纵向易损性曲线的影响

5．5 桥墩横向易损性曲线

5．5．1 输入轴力和概率统计特征值

5．5．2 横向全概率易损性曲线

5．5．3 横向地震作用下墩柱损伤规律

5．6 结构不确定性对横向易损性曲线的影响

5．7 结构体系易损性曲线

5．8 小结

第6章 叠合柱高墩连续刚构概率地震风险分析

6．1 地震危险性分析

6．1．1 确定性分析方法

6．1．2 概率性分析方法

6．1．3 地震烈度的概率模型

6．1．4 地震烈度与地震峰值加速度的统计关系

6．2 结构地震风险分析的实现

6．2．1 概率风险函数解析表达式

6．2．2 结构地震风险分析实施步骤

6．2．3 地震危险性函数的确定

6．3 叠合柱桥墩概率地震损伤风险分析

6．4 叠合柱桥墩概率地震需求风险分析

6．5 设计基准期内桥墩概率地震风险分析

6．6 设计基准期内体系概率地震风险分析

6．7 小结

结论与展望

1 主要结论

2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文