轨道交通高架桥预制拼装桥墩的地震易损性分析

葛 宁， 陈 浩， 章 群， 卓为顶， 王 序

（1.南京地铁集团有限公司，江苏 南京 210008； 2.南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210017； 3.中建八局第三建设有限公司，江苏 南京 210023； 4.南京工程学院，江苏 南京 211167； 5.东南大学，南京 211189）

1 概 述

研究推广桥梁的制拼装技术，符合国家低碳、绿色的发展方向。与现浇桥墩相比，预制拼装桥墩具有工厂化制造、快速施工、现场干扰少、成品质量易于保证等优点［1-2］，目前已在公路和市政桥梁建设中逐步得到推广应用，但在城市轨道交通中使用尚少。在南京地铁宁句城际轨道交通车辆段试车线下部结构建造中，通过研究首次采用了预制拼装混凝土桥墩，如图1所示。

图1 南京宁句轨道交通中的预制拼装桥墩

桥梁抗震的设防重点在于桥墩抗震，桥墩的破坏或倒塌会影响生命线工程畅通，可能会带来更大的次生灾害。与公路交通网相比，城际轨道高架桥线路具有线性连通的特点，一旦轨道交通桥梁发生震害，必将危及全线运营安全。预制拼装桥墩是将墩柱与盖梁分成若预制单元进行拼装，与传统的现浇桥墩相比，拼装接缝面的不连续性是桥墩构造中的薄弱环节，因此，若将预制拼装桥墩应用于重要轨道交通线路或中高烈度区的桥梁时，须对其抗震性能进行研究。

本文以宁句城际轨道预制拼装桥墩为背景，开展了预制拼装桥墩的地震易损性研究，对于交通生命线工程和桥梁抗震减灾具有重要意义。

2 桥墩的地震易损性分析方法

2.1 地震易损性分析一般步骤

鉴于地震动及其强度的不确定性，目前已发展了多种基于概率的结构易损性评估方法。在不同强度地震作用下，可以从桥墩结构发生各种破坏状态的概率方面，定量地刻画结构的抗震性能。地震易损性分析可以给出结构在不同强度地震下发生各级破坏的概率，因此对结构进行易损性分析，可改进设计以提高桥梁抗震能力，或用于震灾程度预测。

结构地震易损性通常采用易损性系数、破坏概率矩阵或易损性曲线来表示。本文提出桥墩的地震易损性曲线评价方法，其分析基本原理如图2所示。

图2 预制拼装桥墩的地震易损性分析流程

2.2 地震波选择

宁句城际轨道交通预制桥梁所在场地为II类场地土，按7度抗震设防。为此，需选择合适的地震波，并按照相关要求进行波形调制，作为地震输入的激励，是桥墩非线性分析的主要难点之一。鉴于美国太平洋地震工程研究中心（PEER）的地震动数据库记录非常丰富及其开放性，为世界各国学者研究中公用［3-4］。

根据ASCE7-10（2010）标准，应满足以下要求：1）所选地震动应与场地特征保持一致；2）选取的地震动记录的平均值拟合反应谱应在0.2T～1.5T之间，T为结构的自振周期；3）应选择震级大于5.5的记录。根据桥位所处的场地特点，选取了距断层大于30 km的20条地震动记录，地震震级、断层距离和加速度反应谱如图3所示。

图3 选定的地震波及其基本特征

动力增量时程分析已广泛应用于结构抗震和易损性分析［5-6］。在本研究中，所选择地震波的峰值加速度（PGA）需按一定比例进行调制，比例因子λ可定义为：

式中ψ为目标地震波的峰值加速度，可取0.1g，0.3g，0.5g，0.8g，1.0g；Amax为所选地震波的峰值加速度。

2.3 桥墩地震易损函数

在桥墩易损性分析中，将特定地震波下计算得到的位移响应记为ln(SD)=ln(a)+bln(IM)，也称地震工程需求参数EDPs，其均值服从对数正态概率分布［7-8］：

式中a和b为回归系数，IM为地震动强度。

下面采用动力增量时程分析研究一些未知参数。由于峰值地面加速度（PGA）是结构地震响应的主要影响参数，故可选择峰值地面加速度作为地震动强度（IM）来描述地震动，用不同峰值地面加速度（PGA）水平下的结构极限状态概率表示桥墩结构的地震易损性。桥墩的地震易损函数可表述为：

式中LS为桥墩损伤极限状态；Φ(·)为标准正态分布函数；SC，βC分别为承载力的中值和对数标准差；βD|IM为地震响应的标准差，根据基本统计分析进行评价：

式中N为数值仿真的地震波数量，SD，i为对应某条地震波的桥墩地震位移响应。

2.4 损伤极限状态定义

本研究将地震期间所获得的最大位移延性μ作为易损性评估的参数，位移延性μ定义为墩顶极限位移与屈服位移之比。定义了4种极限（损伤）状态（LS），用于定量评价每个桥墩的损伤状态：轻微损伤、中等损伤、严重损伤和完全失效，如表1所示。

表1 易损性评估参数与桥墩损伤极限状态

桥墩承载力采用公式（3）中均值SC和离散度βC的双参数对数正态分布来描述。不确定性的表征与每个极限状态相关，给每个损伤状态赋值变异系数（COV）。Ramanathan等［9］认为，对于轻微损伤和中等损伤状态，COV值（0.25）较小，而对于严重损伤和完全失效状态，COV值（0.45）较大，离散度βC可表示为：

3 预制混凝土桥墩的地震易损性分析

3.1 宁句城轨桥墩的结构抗震分析模型

本文以南京地铁宁句城际轨道交通车辆段试车线的预制拼装桥墩为背景（如图4所示），该实际工程的桥墩高度为10 m，跨度有26 m和28 m两种。鉴于城市轨道交通桥跨结构的刚度及质量分布较为均匀，可以将桥梁结构简化为单质点自由度体系进行分析［10］。

图4 南京宁句城轨试车线桥梁结构及分析模型

3.2 桥墩的拟静力试验模型

为分析和验证宁句城轨预制拼装桥墩结构的地震易损性，在试验研究中设计了一组缩尺比例的混凝土桥墩，先开展结构的易损性分析，然后再与拟静力试验结果进行对比。理论分析和试验模型，参照了宁句城轨车辆段试车线的桥墩参数，设计了4个缩尺比约为1∶3的桥墩试件，尺寸、配筋率及预应力等参数如表2所示，包括现浇桥墩、预制拼装桥墩和预应力预制桥墩三种类型，混凝土强度等级为C40。预制桥墩均采用灌浆套筒连接，根据配筋率相等原则进行钢筋设计，预应力预制桥墩沿墩柱中心线位置设置有粘结预应力筋。

表2 混凝土桥墩试件的主要参数

墩帽尺寸为0.7 m×0.7 m×0.6 m，墩柱尺寸为0.56 m×0.56 m×2.2 m，承台尺寸为1.5 m×0.9 m×0.6 m。墩柱纵筋为12根Φ16 mm，为HRB400钢筋，截面配筋率为0.78%。塑性铰区的箍筋采用Φ8 mm@40 mm，为HPB300钢筋，箍筋的体积配筋率为0.83%。试件PPC-1和PPC-2的竖向预应力分别采用4根、8根Φ15.2 mm钢绞线，采用有粘结预应力筋形式。桥墩有效加载高度为2.60 m，桥墩的高宽比（H/W）为4.64。

3.3 基于PGA的桥墩易损性函数计算

将地震期间所获得的最大位移延性μ作为主要研究参数，位移延性大则意味着桥墩的地震易损性小，反之则大。建立各桥墩的概率地震需求模型（PSDM），采用美国加州太平洋抗震中心的OpenSees软件进行抗震分析，理论计算所得的峰值地面加速度（PGA）与位移延性的对数关系如图5所示，离散系数R2都是高于0.70，可以认为地震工程需求参数（EDP）与地震动强度（IM）的对数，几乎与呈线性关系。

图5 峰值地面加速度与位移延性的对数关系

4 桥墩的地震易损性评估

4.1 基于易损性曲线的损伤评估

为了进行动力增量时程分析，将地震波都被按比例调制为相同的峰值地面加速度，这样就可以在基于概率地震需求模型（PSDM）中生成足够的数据，来对应不同的地震强度等级。考虑将位移延性作为地震工程需求参数（EDP），并结合表1中的桥墩损伤状态及对应的均值和离散度，给出各损伤状态下的试验桥墩易损性曲线，如图6所示。

图6 考虑位移延性四种损伤状态下桥墩易损性曲线

从图6可以看出，若考虑位移延性需求，在4个试件中桥墩PRC最可能产生地震损伤。结构不连续引起的预制墩体刚度降低，会导致其基本周期的增加。因此，桥墩PRC更容易损伤。另一方面，有粘结预应力筋对提高预制桥墩的刚度有较大作用。因此，与桥墩CIP相比，桥墩PPC-1和PPC-2的易损性较小。以设计地震事件时的损伤概率为例，即50年内的超越概率为2%（重现期为2475年），设计事件的地震峰值地面加速度取0.325g时，桥墩CIP、桥墩PRC、桥墩PPC-1和桥墩PPC-2产生轻微损伤的概率分别为90.3%，97.9%，53.9%和10%，如图6（a）所示。在相同地震动条件下，桥墩CIP产生中等损伤和严重损伤的概率分别为83.7%和60.3%，桥墩PRC的相应概率分别为95.6%和80.3%，桥墩PPC-1的相应概率分别为41.9%和24.3%，桥墩PPC-2的相应概率分别为5.5%和3.1%，如图6（b）和图6（c）所示。此外，从图6（d）可以看出，桥墩PPC-2的预应力轴压比最大，在强烈地震下更容易生存。

4.2 桥墩的拟静力试验验证

为了验证宁句城轨预制拼装桥墩的抗震性能，按照表2所列的主要参数制作了4个混凝土桥墩试件，开展现浇桥墩、预制拼装桥墩和预应力预制桥墩的拟静力抗震性能试验研究，桥墩采用位移控制的加载方法，每一位移幅下水平加载3个循环，试验装置及加载制度如图7所示。

图7 试验装置和加载制度

4个混凝土桥墩的屈服点、峰值点、极限点所对应的位移和推力等主要参数，如表3所示，对桥墩的位移延性进行了计算。

表3 桥墩的性能参数对比

试验结果表明，桥墩PRC在屈服推力、峰值推力、极限位移与桥墩CIP墩基本相似，而预应力筋有效提高了预制桥墩的强度和延性。可以看出，预应力轴压比为5%时，桥墩PPC-1屈服强度、峰值强度和极限位移，比桥墩CIP分别提高了46.7%，48.9%和32.7%。预应力轴压比为10%时，桥墩PPC-2屈服强度、峰值强度和极限位移等性能得到了进一步提高，比桥墩CIP分别提高了69.1%，70.4%和57.6%。试验研究结果，与图6所示的考虑位移延性四种损伤状态下4种混凝土桥墩抗震易损性理论评估的结果是高度一致的。

5 结 论

将预制拼装桥墩应用于城市轨道交通桥梁，符合绿色低碳的桥梁建设理念，但对其抗震性能需进行定量化评估。本文依托南京地铁宁句城际轨道交通高架桥，对预制拼装桥墩的地震易损性进行了分析研究，主要结论如下：

（1）提出了预制拼装桥墩的地震易损性评估方法，选取位移延性指标作为易损性评估的主要参数，定义了4种极限损伤状态（轻微损伤、中等损伤、严重损伤和完全失效），用于定量评价每个桥墩的损伤状态。

（2）建立地震需求模型，选取多条典型地震波，对4种混凝土桥墩的地震易损性进行理论研究。考虑位移延性影响，给出各损伤状态下的桥墩易损性曲线。

（3）试验及理论研究表明，普通预制桥墩相对于现浇桥墩，在屈服推力、峰值推力、极限位移等方面基本相似，位移延性有所降低。对于采用预应力筋的预制桥墩，在屈服推力、峰值推力、极限位移和位移延性方面，具有显著的提升。

（4）当预制桥墩应用在中高烈度区时，采用预应力筋是值得优先考虑的选择。