一种基于持续时间方法的脆弱性分析框架 在冲刷和地震作用下的斜拉桥系统外文翻译资料

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海洋工程

一种基于持续时间方法的脆弱性分析框架 在冲刷和地震作用下的斜拉桥系统

凯伟^a何海峰如*张家瑞^c,杨康^d、秦顺泉e

a西南交通大学桥梁工程系,成都,610031

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。同济大学桥梁工程系,上海,200092

°麦克马斯特大学土木工程系,汉密尔顿,L8S4L7，加拿大

e中铁重大桥梁勘察设计院有限公司,西南交通大学桥梁工程系,成都,武汉,430050, 中国

1. 介绍

随着跨海峡和海峡交通网络的需求的不断增长，已经或正在建造大量大 跨海上桥梁来连接大陆和岛屿(XuetaL, 2020)。斜拉桥是最受欢迎的海桥 类型之一，已广泛建设，如杭州海湾桥(叶，2010)、中国东海桥(刘等， 2007)、阳光天桥桥(沙山、1996)、评海峡路桥桥(Ti等，2019)等。大陆 和海洋板块边缘的运动和碰撞可能导致海峡地区的灾难性地震。因此，应评 估这些桥梁的地震行为。地震脆性是对地震作用下的桥梁进行安全评估的常 用工具(Zhongetal.， 2020a， b)。Zhong等人，2018a， b)使用时间史分析方 法研究了斜拉桥的组件和系统的脆弱性。庞等人。(2014)计算地震 采用时史分析方法分析单塔斜拉桥的脆性曲线，讨论了不确定性对脆性函数 的影响。Noghabi等。(2014)采用增量动态分析(IDA)框架，对斜拉桥的组 件和系统的脆弱性进行了评估。李等人。(2018)评价了一个跨海斜拉桥的 抗震性能，并探讨了土-结构相互作用和水动力效应对桥梁地震脆性的影响 。然而，使用IDA等传统方法对斜拉桥进行地震脆性分析具有挑战性，因为 它们的结构复杂性可能会导致昂贵的计算成本。

此外，跨海桥梁所在的海峡地区通常会遭受深水和急流的影响。因此， 在桥梁的使用寿命期间，基础周围可能会出现冲刷孔(Guoetal.，2020)。 Zha等。(2009)报告称，大桥基础周围的最大局部酸性深度将超过16米。 冲刷孔的出现可以

*通讯作者。

电子邮件地址:kaiwei@homec swjtu. edu. cn (K.魏)，海峰@我的。swjtu. edu. cn (H.他

https://doi.org/10. 1 016/j. oceaneng. 2 021. 109128

2020年12月29日收到；2021年5月4日收到;2021年5月5日接受

2021年5月14日在线提供

0029-8018/copy;2021爱思唯尔有限公司保留所有权利。

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降低桥梁基础的横向刚度，从而影响桥梁的动态特性(Gu。和Chen，2016； Wangetal.，2019)。这可能导致地震荷载下跨海斜拉桥的性能发生显著变 化(Guoetal.，2019)。因此，讨论冲刷效应对跨海斜拉桥抗震性能的影响是 十分必要的。不幸的是，跨海斜拉桥在冲刷和地震情景的共同影响下的脆弱 性很少被报道。考虑到冲刷效应对跨海斜拉桥地震脆性分析的影响，不仅增 加了结构的复杂性，而且如果仍然采用传统的计算方法，还需要花费非常昂 贵的计算量。因此，对于更复杂的桥梁结构的脆性分析，建立一个计算效率 高的地震脆性分析框架至关重要。

为了实现上述目标，持续时间法(ETM)作为一种计算结构地震响应的替代 技术，通过将结构进行预定义的增强地面运动(埃斯特坎奇等人，2020年) 。近年来，ETM已被广泛应用于各种类型结构的地震响应分析。郭等人。(20 17)使用ETM分析了桥梁的地震行为，包括冲击效应，并采用IDA方法进行了 ETM验证。塔瓦佐等人。(Tavazo和Ranjbaran， 2017)讨论了ETM在钢筋混凝土 框架脆性分析中的准确性，发现ETM仅通过三次时间耐久性时间分析就可以提 供可接受的结果。Pang等人，2020a，b)利用ETM研究了深水桥梁的地震响应 ，并得出结论，ETM可以在减少计算量的情况下提供令人满意的水动力效应估 计。他等人。(2020)利用ETM研究了冲刷深度对公路桥梁地震易损性的影响 ，发现ETM作为IDA地震脆性分析方法是一种有效的替代方法。ETM为有效地研 究具有高结构复杂性的大跨斜拉桥的地震脆弱性提供了潜力，但其研究仍然 少得多。

本研究利用ETM为跨海斜拉桥开发了一个有效的地震脆性分析框架。建立 了跨海斜拉桥的数值模型。考虑了土壤-结构之间的相互作用，并通过去除 土壤弹簧来模拟冲刷深度。采用附加质量模型分别考虑了桩帽和桩帽的水动 力效应。利用ETM和IDA脆性分析框架计算了实例桥的地震响应，并通过将已 开发的脆性曲线与IDA框架中的脆性曲线进行比较，验证了ETM的适用性。最 后研究了持续时间加速度函数(ETAFs)的持续时间和冲刷效应对分量和系统 地震脆弱性的影响。

1. 基于ETM的地震脆性分析框架

2 1.基于ETM的组件脆弱性

地震脆性描述了在特定的水平下，在预定义的极限状态下发生结构损 伤的可能性(Pang等人。，2 0 2 1 ).假设地震需求(Sd)和容量(Sc)均遵循 对数正态分布(MuntasirBillah和Shahria)，脆弱性函数可表示为：

Pf；―二①]]

化 那

(1) 其中，Be和Bd分别为Sc和Sd的离散度，分别为①(.)_o是标准的正态累 积分布函数。通过以下线性回归分析，可以建立地震需求模型 在对数变换状态下(Zhongetal.， 2018a， b):

ln (S0=b，ln(IM) a(2) 其中，a和b为线性回归得到的参数

分析

的值(B²c B²d)1/2可以从危险99用户手册(联邦应急管理局，1999 年)中的建议中提取。因此，生成分量脆性曲线的关键是开发地震需求模型 。ETM的优点是，可以通过使用生成的称为ETAFs的增强地面运动来有效地计 算桥梁分量的地震需求模型(埃斯特坎奇等人，2020年)。etaf的加速度和 位移响应谱应随时间线性增加如下(Estekanchietal.，2011)：

其中SaT (T. t)和SM (T、t)为目标加速度和位移响应谱。SaC(T)为选定 的设计加速度响应谱。这是缩放etaf的目标时间。T为自由振动周期。最优 ETAF应满足上述两个方程，从而通过求解以下无约束优化问题生成etaf：

¹ ax ax

(){ 2

minF a_g = [S_a(T, t) - S美国东部时间(T, t)]² a [S_U(T, t)-

2}

S_ut(T, t)]² dtdT

0 0

(5)

其中，ag为目标ETAF，Sa(T，t)和Su(T，t)为a的加速度和位移响应谱 g, tmax是ETAF的时间持续时间，和Tmax是在优化过程中考虑的最大自由振动 周期。a是位移谱的相对权重系数。关于ETM基于的分析框架的更多细节可 以在作者之前的工作[13]中找到。

2. 2.系统脆弱性

第2.1节中开发的构件级脆性曲线可以深入了解不同桥构件的相对脆弱性 。然而，整个桥梁系统通常被认为比任何桥梁组件都更脆弱(Choietal., 2004)。采用联合概率地震需求模型(JPSDM)计算了系统的脆性。该方法假定 不同桥架分量的地震需求模型之间存在一定程度的相关性(Zhongetal.， 2020a，b)。因此，系统级地震需求可以计算为对桥梁部件的联合需求。协 方差矩阵是根据不同桥分量需求之间的相关性生成的。基于JPSDM和极限状 态模型，应用蒙特卡罗采样(MCS)计算大范围内的故障概率(Nielson和 Desroches，2007)。特别地，对每个IM使用MCS从JPSDM和损伤状态模型中获 得了许多N个随机样本。每个需求都在采样失效域中进行评估，并通过以下 功能进行记录：

1 如果(x1,现，，工..n pound; F1, 2... ,n

^IF= { (6

⁰ 如果(X1， X2, , x . . n F呈 12,n

其中(x1, x2，...，xn )是卩个桥分量的采样需求F 1 , 2, hellip;， n是 相应的故障域。然后，在给定的IM水平下，桥接系统的失效概率可以表示为

'1芬 p 一 bull;bull;I

n

1. 一个桥梁实例的数值模拟

以一座跨海斜拉桥为例。如图所示。1、示例桥的长度为 132 196 532 196 132=1188m_o钢筋混凝土塔架和墩墩的高度分别为220m和 50m_o塔架桩基位于21m深水区，不包括冲刷深度。桩帽的哑铃形横截面为 80.4mX32.4mX10m°桩的直径为4.5m,桩长为47m°另外，每根桩中设有纵 向钢筋135 0 40,箍筋间距100mm°基岩以上土为36m,桩组周围土类型为中 砂，有效重量为30kN/m³摩擦角为30。.

3 1.有限元建模

采用OpenSees软件建立了跨海斜拉桥的数值模型，如图所示。2.上层结 构采用弹性梁单元建模(PangetaL, 2020a，b)。采用非线性梁元件对塔架 、桥墩和桩基进行建模，以表示其在地震荷载下的非弹性行为。桩帽在地震 中被认为是一个刚体，因此它由集中质量建模，桩和桩帽由刚性链连接。由 于辅助墩和侧墩都位于海滩上，因此冲刷效应可以忽略不计。在该模型中， 只考虑了塔架的桩基基础。副墩和侧墩的桩在地震时可以保持弹性，并且在 数值模型中没有考虑。它们的贡献被简化为六个刚度弹簧。采用“混凝土 01”材料，考虑了受限混凝土和非受限混凝土的本构模型。塔架覆盖混凝土 强度为55MPa，桩、墩身混凝土强度为45MPa_o纵向钢筋的应力-应变关系为 采用“钢01”材料建模，其中屈服强度和弹性模量分别设置为400MPa和 200GPa。桥的电缆模型由桁架单元结合电缆的初始应变使用“初始应变材料 ”材料。电缆的弹性模量和抗拉强度分别设置为200GPa和1860MPa。采用双 线性弹簧元件对轴承进行了建模。

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