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案例研究：多跨公路桥梁地震易损性评价与加固设计
Seismic Vulnerability Assessment and Retrofitting Design of a Multispan Highway Bridge：Case Study
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摘要：在意大利，地震易损性是一个关键问题，因为现有的大部分结构是在新的国家建筑委员2008年实施之前和随后的地震风险图中设计的，这就定义了Sun-NeigigiBielkApk地基加速度（PGA）顶层地震区。因此，即使是具有挑战性，地震勘探成为一个重要的问题，由于结构的几何形状、场地特征和经济问题，地震灾害也难以解决。前面提到的所有方面都是对Tanaro and Bormida Bridges（意大利亚利桑德里亚）的主要关注。主要的批评来自（1）3种不同的上部结构桥面型式（简支普通混凝土和预应力混凝土梁板，连续预应力混凝土箱梁桥）；（2）几何和可行性约束（限制桥面板到桥面板）；（3）在流基础中，对脆弱性评价进行了评述，研究了含摩擦桥的地震隔离问题。初步设计以单自由度（SDOF）模型为基础，通过有限元模拟对非线性模态进行了分析。SDOF模型的使用证明了隔离系统的设计是非常有用的，这是由于它的灵活性和主参数易于管理的可能性。由于重要的减少，最后设计的隔离系统表现的非常有效（即使大于目前工作的80%）并且能够提高能量吸收能力。
DOI：10.1061/（ASCE）BE.1943-5592.0001148.@2017 American Society of Civil Engineers.
关键词：基础位移设计；基于力的设计；摩擦摆支座；线性模态分析；多跨桥梁；隔震；单自由度（SDOF）模型
引言
在意大利，由于其地球动力学结构，地震灾害是最重要的。尽管在1908年墨西拿地震后，意大利首次界定了地震分类，但1980年该国只有25％的地震具有定义的地震特征。2003年，根据意大利第一个地震测绘标准（OPCM32742003），国家地基被分为四个区域，最后，意大利建筑标准（NTC 2008）将峰值地面加速度（PGA）的值定义为地理坐标的函数。对意大利地震危险性定义的非常简短的总结说明，在2003之前建造的结构和基础设施往往不符合最近关于地震易损性的国家规范。这方面，由于环境的影响，建筑和桥梁的退化，使得有必要设计有效的结构改造。
①Professional Engineer and Researcher, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Politecnico di Milano, Milan 20133, Italy (corresponding author).
②Project Manager, RWDI Consulting Engineers and Scientists, MK113LH,MiltonKeynes,U.K.
③Project Manager, ECSD Consulting Engineering S.r.l., 20129, Milan, Italy.
④Professor, Dept. of Architecture, Built Environment and Construction Engineering, Politecnico di Milano, 20133 Milan, Italy; ECSD Consulting EngineeringS.r.l.,20129Milan,Italy
注意事项。这份稿件于2017年1月9日提交；2017年6月12日批准；2017年12月5日出版。讨论期至2018年5月5日，个别文件必须另行讨论。本文是《桥梁工程学报》、《ASCE》、ISSN 1084-0702的一部分。
然而，旨在提高现有桥梁在地震中的安全水平的地震改造是一项具有挑战性的任务。实际上，实践者必须解决显著的局限性，主要是由于结构几何、建筑工地的可达性和经济问题。对于多跨简支混凝土梁桥和/或预应力混凝土桥梁来说，这个问题甚至更为重要，因为它们通常不是为地震作用而设计的。这种基础设施最常见的失效模式表现为上部结构在轴承上的脱离以及间隙不够宽时相邻甲板之间的锤击。
当地震易损性评估突出结构缺陷时，可以采取两种策略：①加固一些关键结构构件以提高承载力，即抵抗力；②减少地震诱发的行动，即抗震需求。
加固方法通常采用钢、混凝土或复合材料保温套。在文献中提出了替代方案，例如①新型熔断机器的应用；②通过浮板连接上层建筑的甲板以构成具有预应力桩帽的单体元件，从而抑制地震位移；③加强现有的支护，以承受有限的位移来维持地震荷载。另一种方法包括用外部约束系统对（连续制造的）甲板板进行改造，该外部约束系统也能够减少抗震需求。
相反，地震作用的减少通常是通过使用特殊轴承和粘滞阻尼器的抗震保护完成的。在可行的情况下，这种方法已被证明是有效的，具有良好的成本效益比。本文描述的大桥是A21高速公路上的塔纳罗和波米达河(意大利的亚历山德里亚)的高架桥，连接了都灵、亚历山德里亚皮亚琴察等城。
关于上部结构，桥梁由三个不同的结构体系组成：①由三根钢筋混凝土梁支撑的一组独立的20m跨平台；②由三根PC梁支撑的两个静态独立的33米跨度甲板；③具有纵向和横向加强肋的连续186米长箱梁桥。图1显示了不同结构配置的三幅图以及整个高架桥的平面图。该桥建于20世纪70年代，根据意大利标准R.D. 16/11/1939 -2229（RD1939）。
图1：塔纳罗和博尔米达河上的桥梁：（a）整个高架桥的平面图（图像2017谷歌，地图数据2017谷歌）；（b）钢筋混凝土梁板，（c）预应力钢筋
混凝土梁板，和（d）箱梁桥面甲板的细节
图2：（a）弹性响应（b）弹性位移响应的不同阻尼值
首先采用线性单自由度（SDOF）模型对整个结构进行了地震易损性分析，然后通过线性模态分析和响应谱实现了有限元（FE）模拟。因为它们的抗剪承载能力无法面对地震荷载，所以地基基础系统被证明是最脆弱的。昂贵的费用鼓励了使用基本隔离的方法，尽管上层建筑的甲板到甲板间隙相当有限，但必须特别注意位移控制。因此，在设计干预时，采用了基于力的和基于位移的设计相结合的方法。这项工作的初步结果是由波佐利特尔提出的。
箱形梁板地震易损性分析
根据NTC进行桥梁建造的地震脆弱性评估。首先，对结构行为进行调查以评估正确的行为因素（q）和层次的有效性。之后，通过与桥梁等效的线性SDOF模型进行
表1定义弹性响应谱的参数值见图2
了简化的研究。最后，通过在商业软件（专业结构分析程序）中实现的有限元模型进行反应谱分析来检查结果。
地震作用
对地震荷载进行了100年的使用寿命（＝重要性因子*名义寿命＝2年*50年）和超过10%的概率，其中基准返回期为949年。图2（a）中所示的定义弹性反应谱[Se（T）]的参数值记录在表1中。图2（b）中所示弹性位移响应谱[SDE（t）]。
建筑结构地震易损性分析
上层建筑由一个由PC制成的连续186米长的箱梁变形横截面（图3）组成，并带有纵向和横向加强筋。中央墩高12m，矩形截面（a*b = 2*10），采用普通混凝土（圆柱形抗压强度=35MPa），采用74根对称排列的钢筋（Phi;=24毫米，钢种A.L.E，屈服应力（）= 440MPa。PC箱梁桥的主要几何特征总结如图3所示。
然而，对基础墩进行结构转换的最大地震作用，仅受地基承载力的限制，即地基承载力（FC= 25MPa）。
图3预应力混凝土箱梁桥的几何特性。提出了两种桥墩地震作用分布方案。（方案一=完工;方案二 =可能的新配置;尺寸单位厘米）
每个基础桩都是由一根Phi;10/25螺旋钢筋（直径=10毫米，间距=250毫米，钢筋类型Aq50，屈服强度=320MPa）横向加固的，于是就有204千牛的抗剪强度。因此，每个中心墩可以传输到基础的最大剪力由公式（1）给出。
（1）
在图3中，报告了两种惯性力分布到桥墩中的方案：（1）作为构造形式，其中地震作用是沿中心巷道的纵向方向，而在横向方向上则分布在两个中心墩之间；（2）可能的新配置，地震作用在两个方向上重新分布到两个中心墩中。
在图4（a和b）中，中心墩的承载弯曲能力连同地基承受的极限剪力一起报告。方案一和方案二的不同之处在于（由受力最大的中心墩承担上部结构的质量）的变化。每巷道总质量为5211吨：对于方案一或方案二，沿纵向方向=5211吨或者2605吨，相对的对于方案一和方案二，沿横向方向=2605吨。
如图4(a和b)清楚地表明，地震反应受基础系统剪切能力的限制。这个行为不允许依靠桥墩的弯曲延展性，强制执行地震分析的行为因子q=1脆性行为适用于方案1和2。
由于在达到桥墩抗弯能力之前，在地基上达到了剪切破坏，所以在地震分析中假定桥墩的有效抗弯刚度等于截面的有效刚度。在图4（a）中这是特别明显的。
动态分析首先在一个线性SDOF模型上进行，这个模型逼近了单中心上层结构系统的行为。之后，进行了具有反应谱的FE线性模态分析，旨在突出上部结构和基础变形性的可能影响，以及由于桥的平面曲率引起的纵向，横向和垂直响应之间的耦合。在弯曲和扭转响应中，上部结构的截面刚度与总截面的截面刚度相等，因为甲板是预应力，而且，所有结构构件都应具有弹性，因为整体响应受地基剪切能力(脆性行为)的限制。箱梁板与两个相邻的RC梁板运动链（在下文中描述）一起建模。精确地模拟了结构的几何特征，包括内部横梁，可变横截面和平面曲率。
箱梁桥面板采用二维壳单元进行离散化，每个节点具有六个自由度（三个旋转和三个位移），而具有六个自由度单元的梁单元用于层面。
图4中心墩承载力图和（a）横向和（b）纵向方向地基（）的抗剪承载力图（分别为黑色和灰色曲线）
图5FE模型：（a）轴测图视图；（b）超高层建筑、桥墩和基础的细节
表2.基于线性单自由度模型的中心墩-上部结构体系抗震分析及有限元模拟结果（）
图6有限元分析：（图3的方案一）建筑结构墩身的剪力在（a）横向（y）方向（y方向的地震），（b）纵向（x）方向（x方向的地震）
基础平板和桩也被模拟，通过温克勒方法描述土壤 - 结构相互作用，因为它与更严格的模型很好地吻合，尽管其计算成本相当低。在这种情况下，应该注意的是，尽管土壤-结构相互作用通常被认为是有利的（导致抗震需求的减少），但最近的研究已经表明有害的影响会发生。地基采用二维空间单元，梁单元则用于桩。两种Fe元素类型的特征在于每个节点具有六个自由度，并且根据温克勒方法在软件中定义的弹性弹簧约束。实现了材料的线性弹性力学行为（混凝土弹性模量＝33.4GPa）。
根据前面提到的几何特征，即桩、墩、甲板的几何特征，对结构进行检查，并对其作用于上部结构的力进行评估。
通过有限元模拟，分析了2个线性分析模型的动态分析结果与中心墩基础剪力的关系。值得注意的是，简化的单自由度模型（）和有限元模拟（）在基底剪切力作用下的中心剪切力与10%的差别。从有限元分析得到的桥墩中最严重的剪切值分别在纵向和横向分别等于13888（方案1）和5623千牛，也如图6（a和b）所示。
表2和图6显示，这些地震的倾斜度明显大于地基的剪切承载力（对应于每个中心墩的最大剪力为1938kN），甚至震中作用分布在两个墩柱之间（图3中的方案2）。因此，就目前情况而言，桥梁的抗震加固是必要的，可以考虑不同的可能替代方案。
抗震加固
设计现有结构的抗震加固的复杂性来自于考虑到的各种不同的边界，即（1）与结构配置有关的几何约束。（2）可行性与兼容性问题。（3）缩短停机时间的必要性。（4）优化总体成本收益比。同时，从执行的角度来看，干预必须是有效和方便的。
在目前的情况下，加固桥梁将需要提高地基和内流墩的抗剪承载力，这是昂贵且难以实现的易接近性问题。相比之下，箱梁甲板和相邻的钢筋混凝土梁甲板之间的不可忽略的距离，以及需要替换现有轴承以满足耐久性的考虑，这促使采用一种具有相当低水平的、具有相当低水平的、具有显著性降低的抗地震作用的隔离系统。
地震隔离
隔震的主要目的是通过仔细确定隔离器的刚度来减小剪力，同时避免由于地震缝引起的相邻甲板之间的锤击。如图7（a）所示，地震隔离的著名基本原理是将地面的运动与结构的运动分开，在子结构(刚性连接到地面)和上层建筑之间引入水平的断开，而垂直荷载的传递则由高垂直的刚性隔震轴承来保证。
孤立系统（IS）中全球变形性的增加导致自然周期的增加值增加，因此由光谱给出的相关加速度降低[见图2（a）]。因此，对于相同水平的PGA，IS所经历的地震加速度显着低于非隔离结构[固定系统（FS）]。
图7地震隔离原理:(a)上部结构与子结构之间的水平不耦合;(b)由于自然周期和阻尼的增加而减少地震需求。
图8三种不同类型的隔震器的图片：(a)FPB; (b)HDRB/LDRB; (c)LRB
然而，自然周期的增加导致更大的水平位移[图 2（b）]，从而导致上
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