基于SSI的桥梁地震脆弱性发展概述

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摘要：本文首先介绍地震脆弱性研究的发展，而后介绍SSI方法的研究与变革，然后介绍基于ssi的桥梁地震脆弱性曲线的发展与展望。针对传统方法存在的问题，将SSI方法与基于脆弱性分析的桥梁抗震设计理论结合起来，介绍了基于SSI的桥梁抗震脆弱性分析方法。

关键词：地震脆弱性分析；土—结构相互作用（SSI）；FEMA440；反应谱方法

Abstract: This paper firstly introduces the development of seismic vulnerability analysis and the research and change of SSI method, then it introduces the development and prospect of the seismic vulnerability line of bridges based on the SSI method. This paper will combine the bridge seismic design theory based on vulnerability analysis with SSI method against the problems of traditional methods. It introduces the seismic vulnerability analysis method of bridges.

Key words: the seismic vulnerability analysis; Soil-Structure Interaction(SSI); FEMA440; response spectrum method

中图分类号：U442.55 文献标识码：A 文章编号：

桥梁脆弱性分析也称为桥梁易损性分析，是通过绘制桥梁结构的脆弱性曲线来判别桥梁脆弱性的一种方法。考虑土结相互作用（SSI）可以对桥梁的脆弱性风险更加精确的分析。地震风险分析包括地震危险性分析、地震脆弱性分析和地震灾害损失评估3个方面，其中，地震脆弱性分析可以预测结构在不同等级地震作用下发生各级破坏的概率，因此对结构的抗震设计、加固和维修决策具有重要的应用价值[1]。在过去发生的地震中，例如，中国1976年的唐山地震，美国1971年的SanFernando地震，1994年的Northridge地震，1995年的日本阪神地震和1999年的台湾集集地震，这些地震导致了桥梁的严重破坏或毁灭性破坏，均表明桥梁在地震作用下是易损坏的。桥梁是交通生命线系统中的重要枢纽结构，地震发生时桥梁结构的抗震性能如何，脆弱性怎样，是关系到国计民生的大事，需要进行严谨的计算和研究。脆弱性曲线传统的定义为在某一特定的地震烈度作用下，结构遭受的特定状态损伤的概率。更具体地，在地震工程中，脆弱性定义为在给定的地面运动强度下，比如峰值地面加速度、谱加速度、地面运动的频谱或强震持续时间，结构构件或系统失效的条件概率[2]。

1 桥梁脆弱性研究的发展

“脆弱性”一词常常用于风险和灾害研究文献中，也逐渐成为全球变化、环境发展和地理学的重要词汇[3]。国际上关于桥梁地震脆弱性分析的研究已有十多年，尤其是日本和美国对此研究得比较多。我国对房屋建筑结构的地震脆弱性分析取得了一定成果，但是对桥梁结构的地震脆弱性分析却仍然处于起步阶段。以脆弱性曲线的形式来研究结构的地震脆弱性，最早起源于20世纪70年代初核电站的地震概率风险评估。简单地说，他们把机械和结构系统的抗震能力以概率分布函数的形式表示出来，该函数以地面运动强度为参数。通常采用PGA(峰值地面加速度)，SA(谱加速度)和SI(谱烈度)作为地震动参数，该函数可以反映出结构能力和地震动参数所涉及的不确定性因素。

得到结构的地震脆弱性曲线可以采用两种方法，即经验统计法和理论计算法。经验统计法得到的脆弱性曲线就是基于历史震害资料，找出主要致灾因素，然后通过数理统计得出反映影响因素轻重的量化值，最终判断出桥梁在一定地震烈度下的震害概率；而理论计算法是将现有结构建模，并结合相关理论分析得出结构破坏机制，主要包括规范校核法、Pushover法、计算屈服强度系数法以及大跨度桥梁的定性定量分析法，并且如果有可能，最终得到的脆弱性曲线应该用实际的地震数据来验证[4]。

1.1 经验脆弱性曲线

经验方法得到的地震脆弱性曲线,通常基于过去地震中所得到的桥梁损伤数据。我国关于公路桥梁脆弱性曲线分析，孙振凯和徐龙军都曾做过相关的研究。孙振凯采用的是专家调查的方式，由于其采用的样本有限，故研究结果的可信度有一定限制。徐龙军统计了发生在唐山大地震中的272座铁路桥梁的破坏概率,对唐山大地震和海城地震中56座遭受地震破坏的桥梁按结构构造特征进行了分类,分析出各种构造特征对结构脆弱性的贡献率;描绘出了铁路桥梁在不同烈度地震作用下的破坏概率累积曲线,并提出了一种预测铁路桥梁地震震害的方法[5]。

国际上，Mander和Basoz采用一种类似Singhal和Kiremidjian[6]使用过的方法估计了脆弱性曲线。每条脆弱性曲线假设为位置参数未知(方差)，而比例参数为已知常量(对数标准差)的标准对数正态累积分布函数，从而融合能力与需求两者在认识和随机方面的不确定性。未知的位置参数通过地面运动数据、地质图以及收集桥梁属性和地理位置的国家桥梁资料库(National Bridge Inventory)确定。Shinozuka等[7]基于1995年神户地震中观测到的桥梁损伤数据，建立了桥梁墩柱的经验脆弱性曲线。Tanaka在评估公路系统的地震脆弱性时，假定脆弱性曲线为两参数正态分布的函数形式。利用1995年神户地震中获得的桥梁损伤数据来估计未知参数(均值和标准差)。总计3685座桥划分为5种结构形式，损伤水准划分为5个等级。

1.2 理论脆弱性曲线

理论易损性曲线通常从桥梁结构的地震动响应分析中得到。要形成理论易损性曲线，有三个主要部分:①地震动输入的模拟；②考虑桥梁特性的不确定性对桥梁结构的模拟；③获得桥梁结构的地震响应分析，并通过回归分析合成易损性曲线。在形成易损性曲线的过程中，有几种典型的分析方法来获得结构在地震地面运动下的响应，比如反应谱分析，非线性静力分析，非线性时程分析。简化的非线性静力分析方法主要有能力谱方法、位移系数法以及割线法[2]。

在对桥梁结构的地震易损性进行评估时,不同的研究者采用了不同的战略与研究方法。Hwang&Huo(1994)，Fukushimaetal(1996)，Kai&Fukushima(1996)，Shinozukaetal(2000)，Karim&Yamazaki(2001)，对各种特定的结构模型采用了MonteCarlo模拟法来进行易损性分析。其中, Hwang&Huo提出了一种基于结构动力行为的数值模拟的分析方法来形成易损性曲线。 Kai&Fukushima提出了一种利用频域内的随机振动理论来评估结构响应的易损性分析方法。Shinozukaetal采用MonteCarlo模拟法检验桥梁的易损性曲线,结构的响应通过两种不同的方法计算得到,一种是时程分析方法,另一种是根据ATC-40(1996)提出的能力谱方法。Karim&Yamazaki[8]建议了一种用数值模拟方法建立理论易损性曲线的方法。此方法的流程如图1所示。Karim&Yamazaki又发展了一种基于数值模拟的简化分析方法来发展公路桥梁(非隔震体系)的理论易损性曲线。