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地震作用下桥梁结构的建模与评估危害预防

作者：Jeng-Wen Lin bull; Cheng-Wu Chen bull; Shang-Heng Chung

收到日期：2011年7月18日/接受日期：2011年8月25日/网上发布：2011年9月16日

Springer Science Business Media B.V. 2011

摘要：本研究利用毛罗西大桥的数据对桥梁结构进行建模并利用此数据建立一套发达的报警信号和行动值来制定桥梁维护和地震危险预防的指导方针。通过现场整合桥梁模型环境振动测量来执行模态分析。对于桥梁的动态分析，用建立的三维模型进行均匀加载和地震力，考虑或不考虑土体与结构的相互作用均可。在通过比较桥梁不同部分的最大位移并进行统计回归分析后，用此来探索它们的相关性。在提出了桥梁安全评估信息后，可以减少因桥梁失效而造成的财产和生命损失。在各种地震强度下，对所考虑桥梁的桥台D和E在轴向，水平和垂直方向上的最大位移进行回归分析，得到R sup2;值分别为0.9462,0.9352和0.9010。因为来自回归分析的所有参数处在排除零值以外的95％置信区间，所以制定的维护指南是可靠的。

关键词：评估 桥梁维护 地震危险 统计回归 结构建模

1. 概要介绍

我们已经讨论过地球物理和基础设施模拟在地震对未来地面运动的危害和基础设施地震危险性方面的进展(McCallen and Larsen 2009)。例如，在加利福尼亚州现代地震灾害测绘评估中，使用了确定性或情景方法进行检测(Mualchin 2011)。需要特别注意的是，桥梁功能对运输网络的地震风险评估至关重要(Padgett 和 DesRoches 2007; Stergiou 和 Kiremidjian 2010)。位于两块地震板交界处附近的中国台湾地震频发，导致桥梁安全成为一个重要问题。因此，本研究扩展了这些观点并模拟了桥梁的结构行为，以开发地震危险预防模型。

例如，加利福尼亚的现代地震灾害测绘和评估就是使用确定性或情景方法进行评估(Mualchin 2011)，其地震危险性评估遵循确定性地震危险性分析，该分析在每个已知的国内和附近的发震断层发生最大可信地震震级的情况下评估地震的危险性，特别是在加利福尼亚州，该地震危险性评估还用于建筑和桥梁工程的地震危害评估。地震的破坏强度与基础设施的老化以及基础设施损坏的程度密切相关。在台湾，一至三级地震烈度等轻微地震可能不会对基础设施造成损害，但会给人们带来震感；而中等地震如四到五级地震强度尺度可能会导致基础设施如裂缝的破坏，而如六级以上的强烈地震可能会造成结构破坏甚至结构性破坏（中央气象局，交通部，台湾，2000年）。

桥梁的情况对运输网络的地震风险评估至关重要。 在Padgett和DesRoches（2007）的工作中，桥梁损坏与由此造成的桥梁功能损失之间的关系对于评估地震事件对交通网络性能的影响至关重要，并因此提供了各种类型的桥梁部件损坏状况以及由于关闭桥梁的决定和其修理程序而导致的允许交通承载能力的预期水平。Stergiou和Kiremidjian（2010）提出了运输网络系统的另一个地震风险评估模型，这个模型包括考虑到了地面震动，液化和滑坡的风险暴露，他们根据可能发生的事件发生率及其相应的损失产生年度风险曲线发现了在通勤者的交通延迟上比在桥梁受损时更高。

台湾位于两块地震板块交界处附近，这造成了地震的频繁发生，因此桥梁安全问题不应该被忽视。桥梁损坏与由此造成的桥梁功能损失之间的关系对于评估地震事件对交通网络性能的影响至关重要，并因此提供了各种类型的桥梁部件损坏状况以及由于关闭桥梁的决定和其修理程序而导致的允许交通承载能力的预期水平。在只有眼睛难以看见的地区，地震可能会损坏建筑物，这意味着视觉检查的有效性是有限的（林和陈2009）。桥梁结构安全分析是采用现场测试的，所采用的方法包括新兴的基于传感器的结构健康监测技术，这种技术具有对老化的民用基础设施系统进行经济有效维护的潜力（Feng 2009），该技术利用结构上的传感器与目标局部非破坏性评估（NDE ），其硬件包括新型光纤加速度计、基于视觉的位移传感器、分布式应变传感器和微波成像设备。这种无损检测还提出了开发一种便携式无损检测机器人手臂，该手臂可以由攀爬和步行机器人携带，以评估几何复杂的工业基础设施中的缺陷，如石油化工储罐，桥梁，压力容器以及诸如涡轮叶片（萨塔尔和布伦纳2009）。但是，当地震发生时，是没有即时控制措施的，例如灾难警报或通过桥梁的有限车辆等措施。

桥梁的现状可以通过现场测试确定。地震的破坏强度与基础设施的老化以及基础设施损坏的程度密切相关。考虑到桥梁的动态分析，然后使用建立的三维模型进行均匀加载和地震力，考虑或不考虑土体与结构的相互作用均可。特别注意的是，对于不同的地震强度尺度，桥梁的实际结构行为的模拟是可行的，以获得其相应的最大桥面位移。由于施工质量问题，长期使用导致的劣化和材料老化等问题可能意味着结构存在材料疲劳和收缩问题。此外，桥梁容易受到河流和车辆交通的侵蚀，这可能超过预测值并导致超载，因此，实际情况可能与理论分析的结果不同。如果可以考虑现实与理论之间的差异，可以更准确地估计地震期间桥梁结构可能发生的事情（林，2008）。根据现场试验结果对桥梁现状进行模拟，然后利用结构分析程序（SAP2000）模拟实际发生灾害前不同地震烈度等级的桥梁结构的振动特性。

基于这些论点，我们首先通过结合现场环境振动测量来建立并改进桥梁结构模型，以执行反映当前桥梁状况的模态分析。考虑到桥梁的动态分析，然后使用建立的三维模型进行均匀加载和地震力，考虑或不考虑土体与结构的相互作用均可。特别需要注意的是，对于不同的地震强度尺度，桥梁的实际结构行为的模拟是可行的，以获得其相应的最大桥面位移。最终采用多元回归分析为桥梁维护和地震危险预防创建一套“报警值 - 作用值”安全评估标准。

2. SAP2000桥梁结构模型

对于频率较低的地区，可以根据环境振动测量和施工图设置结构参数。以Bridge E（ES3）为例，为了改善桥梁模型，可根据施工图中的坐标建立桥面上的每个节点，以确保桥梁的方向与实际方向相同。

图1显示了桥梁钢结构的平面图。AUTOCAD软件是用于确认节点的坐标，然后将其转换为实际坐标的。如图2所示，确定对应于实际X轴和Y轴的SAP2000模型网格线。如图3所示，通过连接这些节点，根据实际坐标建立SAP2000模型的XY平面图

图1桥梁钢结构平面图

图2 SAP2000模型的平面网格图

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图3 根据实际坐标设置的SAP2000模型的XY平面图

根据施工图输入参数的值，图4显示了使用SAP2000模拟Bridge E的XY平面图。

图4输入参数值后的SAP2000模型的XY平面图

在考虑有无土壤相互作用的条件下，使用SAP2000结构分析软件来模拟桥梁结构。我们根据中南钻井工程有限公司1993年9月发表的钻井测试报告，得到箱体式沉箱基础采用与弹簧模拟的等效土体相互作用设计。所得数据如图5所示。

图5桥梁E（EP2）桥墩等效弹簧的设置

3.模态分析和维护原则

1999年9月21日台湾中部发生的921次地震的地震数据来自位于南投县草屯小学的TCU075站，该站距离毛罗西桥最近，这些数据被用于使用软件模拟的结构模型 SAP2000进行动态仿真分析。

在分析了有土壤相互作用和没有土壤相互作用的条件后，根据UX，UY和UZ三个方向不同模态下的累积能量就可以确定该结构的主要固有频率。然而，结构的主要固有频率可能会在之后的不同的模式下发生。SAP2000的模态分析结果表明，固有频率随着模态数的增加而增加。换句话说，更大的模态数会导致更高的固有频率。虽然我们不能保证上述固有频率是主要结构频率，但我们可以确保实际主要结构频率不会比它更高。

在我们模拟不同尺度地震过程中，有可能会发生的最大桥面位移。我们所使用的位于草屯小学的TCU075的921地震数据，是最接近于毛罗西大桥的数据。在用SAP2000进行模拟分析后，我们获得了沿轴向，即水平和垂直方向的最大位移。而通过观察是否存在严重的振动或位移，就可以确定动作值标准。下一个比例是报警值。

4动态分析

我们所需要研究的桥梁的动态分析需要使用之前建立的三维SAP2000桥梁模型进行均匀加载和地震力，可以考虑或者不考虑土壤与结构的相互作用。当施加40.2kg / m的均匀载荷和规定的地震力，而且在没有考虑土体相互作用下，桥梁D和桥梁E的桥面位移模型分别如图6和图7所示。考虑到土壤相互作用的条件下桥梁D和桥梁E的桥面位移模型分别如图8和图9所示。

图6具有均匀加载和地震力的3D SAP2000桥模型（桥D，不考虑土壤相互作用）

图7具有均匀加载和地震力的3D SAP2000桥梁模型（Bridge E，没有考虑土壤相互作用）

图8具有均匀加载和地震力的3D SAP2000桥模型（桥D，考虑到土壤相互作用）

图9具有均匀加载和地震力的3D SAP2000桥梁模型（桥梁E，考虑到土壤相互作用）

5.案例研究 - 桥梁结构的安全评估

桥梁的安全评估和通行功能对评估地震事件的影响至关重要（Padgett和DesRoches 2007）。经过上述动力分析后，桥梁的安全评估可以通过所建立的桥梁模型在不同地震强烈程度下的最大位移来实现。如果最大位移曲线突然增加，其相应的地震烈度等级相关于桥梁潜在损害因素和桥梁关闭通行决定和进行修复程序的值（Lin 2008）。根据检测结果，最大加速度为0.0008、0.0025、0.0082、0.0255、0.0816、0.2549和0.4079g的地震将导致毛罗西大桥的桥台D（桥面板DS2;桥墩DP1和DP2）和桥台E（桥面板EP3;桥面 码头EP2和EP3）出现最大的位移。这些用于模拟的数据来自位于草屯小学TCU075站的921地震的地震数据。使用SAP2000桥梁结构模型模拟不同强度下沿轴向，即水平和垂直方向的最大位移，如图10和图11所示。

沿轴向的最大位移（cm）

强度等级

沿水平方向的最大位移（cm）

强度等级

沿垂直方向的最大位移（cm）

强度等级

图10沿轴向，即水平和垂直方向的最大位移（桥D）

沿轴向的最大位移（cm）

强度等级

沿水平方向的最大位移（cm）

强度等级

沿垂直方向的最大位移（cm）

强度等级

图11沿轴向，即水平和垂直方向的最大位移（桥E）

使用Stata软件进行回归分析，以发现桥D和桥E沿轴向，水平和垂直方向的最大位移之间的关系，结果如图12,13和14所示。表1总结了桥梁D和桥梁E在不同地震烈度下沿轴向，水平和垂直方向的最大位移结果Rsup2;值分别为0.9462,0.9352和0.9010，表明两个桥梁部分高度相关。此外，对于回归分析的所有估计参数，零值不落入任何95％置信区间（De Veaux et al 2009），这意味着这些验证结果不能进一步细化，因此可以信任（Lin和 Chen 2009）。

图12桥梁D和桥梁E沿轴向最大位移的回归分析

图13桥梁D和桥梁E沿水平方向最大位移的回归分析

图14桥梁D和桥梁E沿垂直方向最大位移的回归分析

表1桥D和桥E沿每个方向的Rsup2;值

方向	轴向	水平	垂直
Rsup2;值	0.9462	0.9352	0.9010

6.结论

通过结合现场环境振动测量，模拟桥梁在各种地震烈度尺度下的实际结构特性，进行动力分析，我们建立和改进了桥梁结构模型。比较桥梁不同截面的最大位移量，并采用多元回归分析，能为桥梁维护和地震危险预防创建一套“报警值 - 作用值”安全评估标准。在第一次回归分析中，当地震强度等级介于2和6之间时，桥梁D和桥梁E的回归线和最大位移的交点出现。多次进行回归分析后，我们可以更准确地估计当地震烈度等级接近4时桥梁D和桥梁E的回归线和最大位移发生交叉。当地震强度达到5级时，位移显着增加。因此选择地震强度等级4作为报警值。下一个地震烈度等级5是动作值。考虑到土壤液化，作用值不大于最大作用值。这意味着当桥梁所在的地震强度等级为4时，主管部门应该准备关闭桥梁并召集相关单位召开会议，提出桥梁维护和地震危险预防策略。如果地震强度等级达到5级时，动作值应立即关闭，以防止任何人超越桥梁，而且应该重新评估桥梁的整体安全性。

致谢

诚挚地对本文所描述的工作包括台湾国立科学委员会赞助的部分研究项目。 （合同号NSC 95-2221-E-035-111，NSC 100-2221-E-022-013-MY2，NSC 100-2628-E-022-002-MY2和NSC 98-2221-E-366 -006-MY2）和台湾交通部公路总公司第二维修办公室 （合同号97-24010），逢甲大学（合同号99-10G27213）表示感谢。

参考文献

【1】中南钻探工

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