基于多源监测数据的刚构桥震后性能评估:以肥东地震为例

汪正兴; 甘露一; 倪红玉; 李舒

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505582

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (20) :8836-8846 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505582

环境科学、安全科学

基于多源监测数据的刚构桥震后性能评估:以肥东地震为例

汪正兴 ¹^,² ,
甘露一 ¹^,² ,
倪红玉 ³ ,
李舒 ¹^,²^,^*

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Post-earthquake Performance Assessment of Rigid-frame Bridge Based on Multi-source Monitoring Data: Feidong Earthquake

WANG Zheng-xing ¹^,² ,
GAN Lu-yi ¹^,² ,
NI Hong-yu ³ ,
LI Shu ¹^,²^,^*

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摘要

针对既有桥梁在地震作用下亟须快速评估结构性能的实际工程需求,提出一种融合多源监测数据的桥梁全桥系统震后性能快速评估方法。以合肥市肥东县发生的4.7级地震事件为背景,基于同步采集的震时场地地面加速度时程与桥梁主梁应变、支座位移等结构安全监测数据,构建涵盖能量传递分析、位移稳定性评估与震害指数推演的多层次性能评估框架;基于能量传递理论,量化地震动输入、能量传递与结构响应特征,评估主梁抗震性能及梁端稳定性;在此基础上,结合地震动加速度时程与墩顶位移数据,建立易损性矩阵,并利用Beta分布推导结构超越概率模型,实现下部结构震害指数的定量评估。结果表明:主梁能量传递比均小于0.005,振动响应整体较弱,未出现能量集中放大现象;地震前后支座的纵向位移变化量远小于理论容许值,边界条件保持稳定;桥墩系统震害指数约为0.39,处于轻微损伤区间,尚未达到性能退化阈值。所提方法能够实现既有桥梁的震后快速性能评估,可为同类桥梁震后损伤诊断与功能恢复决策提供技术支持。

Abstract

To address the urgent need for post-earthquake structural performance assessment of existing bridges, a rapid seismic performance assessment method integrating multi-source monitoring data was proposed. A 4.7-magnitude earthquake in Feidong County, Hefei City, was selected as the case study, and a multi-level performance assessment framework covering energy transmission analysis, displacement stability evaluation, and seismic damage index estimation was established based on synchronous ground acceleration time histories and structural monitoring data, including main girder strain and bearing displacement. The seismic performance of the main girder and the stability of the beam ends were assessed by quantifying seismic input, energy transfer, and structural response characteristics based on energy transfer theory. On this basis, the seismic damage index of the substructure was quantitatively assessed by developing a vulnerability matrix from ground-motion acceleration and pier-top displacement data and by deriving an exceedance probability model using the Beta distribution. The results show that the energy transfer ratios of the main girder are all below 0.005. The vibration response is weak, and no energy concentration or amplification effects are observed. The longitudinal displacement variation of the bearings before and after the earthquake is significantly smaller than the theoretical allowable value, indicating that the boundary conditions remain stable. The seismic damage index of the pier system is approximately 0.39, which indicates slight damage and remains below the performance degradation threshold. The proposed method enables rapid post-earthquake performance assessment of existing bridges and provides technical support for post-earthquake damage diagnosis and functional recovery decision-making for similar bridges.

Graphical abstract

关键词

桥梁工程 / 结构健康监测 / 能量传递理论 / 结构易损性 / 刚构桥

Key words

bridge engineering / structural health monitoring / energy transmission theory / structural fragility / rigid-frame bridges

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汪正兴, 甘露一, 倪红玉, 李舒. 基于多源监测数据的刚构桥震后性能评估:以肥东地震为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(20): 8836-8846 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505582

WANG Zheng-xing, GAN Lu-yi, NI Hong-yu, LI Shu. Post-earthquake Performance Assessment of Rigid-frame Bridge Based on Multi-source Monitoring Data: Feidong Earthquake[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(20): 8836-8846 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505582

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桥梁作为重要的交通基础设施,其安全性与完好性对社会经济发展和灾后应急响应效率具有至关重要的作用。中国地处全球地震活动带,地震灾害频发^[1],强烈地震往往会对桥梁结构造成严重损伤,引发结构破坏和功能失效,从而对灾区的应急救援和灾后恢复产生重大影响^[2]。因此,针对结构震后性能评估是桥梁工程的研究热点。

当前,桥梁结构震后性能评估主要通过构建有限元模型对结构抗震性能进行研究,以此来揭示不同地震作用下桥梁的损伤机理与破坏模式。陈甫君等^[3]基于OpenSees有限元软件开发了有无碰撞条件下的4种损伤条件,进而通过非线性时程法研究了不同高度的桥墩在地震下的碰撞效应与脆弱性。邓少雄等^[4]为了研究厚高比对斜拉桥地震反应的影响,以某实际桥梁为工程背景,通过非线性时程法对所建立的有限元模型进行分析,结果表明,墩高相比壁厚更能影响墩顶纵向弯矩,厚高比越大,对纵向弯矩的贡献值越小,为同类型桥梁抗震性能评估提供了工程借鉴。冯忠居等^[5]以海文大桥为背景,建立了强震区桩、海床岩土体、断层耦合的数值模型,研究了不同强度地震作用下桩基的动力时程响应特性,结果表明,上部松散土体会显著放大桩基的加速度值。刘振亮等^[6]分析了不同网络拓扑结构及地震动参数对于桥梁网络抗震韧性的影响,进而基于人工神经网络分析了美国旧金山地区公路桥梁网全寿命周期抗震韧性的演化规律,结果表明,基于该方法建立的数据驱动易损性模型拟合优度较好。上述研究通过建立精细化的数值模型,分析了不同地震条件下桥梁关键构件的动力响应特性,为桥梁抗震设计与震后损伤评估提供了重要参考。然而,数值模型的可靠高度依赖材料本构关系的准确性和边界条件的简化假设,仅依托数值模型开展震后评估难以反映环境侵蚀、材料老化等时变因素对结构动力特性的影响^[7]。随着近年来桥梁安全监测的快速发展,通过分析桥梁的实时监测数据,可以更好地反映结构在不同风险场景下的动力响应,可以一定程度上避免因环境侵蚀、材料老化等时变因素引发的模型不精与非线性建模问题。

在此基础上,随着分布式光纤、加速度计阵列和计算机视觉的监测技术突破,结构监测技术得以快速发展,为桥梁极端灾害场景的损伤评估提供了丰富的数据支撑^[8]。罗利等^[9]以某斜拉桥为工程背景,基于地震作用下的实测振动数据,分析了关键截面加速度时程曲线特征与地震前后固有频率变化,并指出墩顶横向振动可作为健康监测报警参数的重要性。邵雪军等^[10]以某多跨连续箱梁桥为例,通过敏感荷载效应对地震发生前后的挠度和加速度监测数据进行概率密度建模并利用阈值进行地震荷载辨识,结果表明,广义极值分布函数可以较好地描述加速度和挠度最大绝对值的概率密度统计特性,该方法可有效地识别地震荷载。然而,上述基于监测数据的震后性能评估研究多聚焦于斜拉桥、悬索桥等大跨径桥梁,针对中等跨径桥梁,尤其是刚构桥这一结构体系中,震后损伤评估研究仍显不足。相较于大跨柔性特征的桥梁结构,刚构桥在地震作用下呈现出典型的高频响应特征,结构能量输入以短周期成分为主,加速度时程中更易表现出尖峰型波动,震害也较为明显^[11]。因此,亟须面向中等跨径刚构桥,构建适应其响应特性的评估体系,开展多源监测数据的震后性能评估研究。

综上可知,现有研究在基于监测数据的大跨桥梁震后评估方面已取得一定成果,但针对中等跨径桥梁的震后性能快速评估仍相对薄弱,且监测数据与概率化震害评估之间的耦合分析仍有待进一步深化。基于此,以合肥市肥东县4.7 级地震为工程背景,结合案例刚构桥的长期监测数据和地震实测强震记录,开展既有刚构桥的震后性能评估研究。将强震记录、桥梁长期安全监测数据、有限元分析结果等多源数据进行耦合分析;针对上部结构,引入能量传递理论构建能量指标,量化地震动输入、能量传递及结构响应特征,以评估主梁抗震性能并判别梁端边界条件的稳定性;针对下部结构,提出基于Beta分布的桥墩系统震害指数模型,以桥墩弯矩曲率关系和非线性时程分析为基础,实现由单构件易损性向系统震害指数的转化。最终提出一种面向中等跨径刚构桥的多源监测数据震后快速评估方法,并以震后现场巡查结果为工程实证,验证所提方法的有效性,为同类桥梁震后快速诊断与恢复决策提供技术支撑。

1 多源数据震后性能评估方法

梁式桥震害主要表现在两个方面:一是上部结构发生的落梁,导致功能失效;二是下部结构桥墩因抗弯延性不足而出现裂缝、屈服甚至破坏^[12]。针对上述问题,结合目前结构监测热点研究,提出一种融合多源监测数据的震后性能评估方法,从“上部结构+下部结构”的协同角度建立指标体系。

对于上部结构,依据实际监测数据类型,划分为两类评估路径:一是基于桥梁主梁安装的加速度传感器数据,采用能量传递理论计算结构能量,用于表征主梁在地震过程中的损伤程度^[13];二是针对落梁风险,基于理论计算的桥梁两端最大容许相对位移与实际布设的拉线式位移计监测结果进行对比,构建落梁风险指标并判断是否进入临界状态^[14]。

对于下部结构,则以桥墩截面抗弯性能作为主要评估对象。通过构建桥墩弯矩曲率响应关系,并引入Beta分布进行超越概率建模,建立概率化震害指数评估体系,实现震害等级的量化表征^[15]。技术路线如图1所示。

1.1 基于能量传递的主梁评估

桥梁结构在地震作用下的损伤演化机理受多重因素控制,从地震动力学角度分析,地震波传播过程中任意空间点位均存在3个相互正交的地震动加速度分量,其耦合效应会引发结构的复杂振动^[16]。地震激励下桥梁结构的动态响应过程本质上表征为外部能量输入与内部能量转化的动态平衡。具体而言,包括传递、转化与耗散过程,其中主要为结构动能、阻尼耗能、塑性耗能。依据结构多自由度理论,可以将上述各项能量表征为

(1)

${E}_{in}=-{\int }_{0}^{t}Mr\ddot{x}\left(t\right)dx{\left(t\right)}^{T}$

(2)

${E}_{k}={\int }_{0}^{t}M\ddot{x}\left(t\right)dx{\left(t\right)}^{T}$

(3)

${E}_{d}={\int }_{0}^{t}C\dot{x}\left(t\right)dx{\left(t\right)}^{T}$

(4)

${E}_{p}={\int }_{0}^{t}Kx\left(t\right)dx{\left(t\right)}^{T}$

式中:E_in为地震动输入能量;E_k为结构动能,即弹性振动能量;E_d为阻尼耗能,即结构阻尼器或固有阻尼耗散的能量;E_p为塑性耗能,即构件屈服、裂缝或损伤所耗的能量;$\ddot{x}$(t)、$\dot{x}$(t)、x(t)分别为t时刻的加速度、速度和位移;r为单位向量矩阵;M、C、K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵。

在能量守恒的前提下,地震动输入的能量等于结构消耗和存储的能量,即

(5)E_in=E_total=E_k+E_d+E_p

式(5)中:E_total为结构内部能量的总和。

考虑到地震动包含3个正交分量,其中水平向振动是桥梁落梁、支座剪切失效和桥墩弯剪破坏的主要原因。而主梁以弯曲变形为主,其在地震中主要承受竖向惯性和弯矩,跨中易出现上下振动和挠度响应,能量耗散也集中于此。因此,在主梁能量评估中侧重竖向分量,水平向分量用于桥墩易损性分析。

基于主梁跨中竖向加速度的能量提取,可定量衡量结构在地震过程中的响应强度。为此,引入能量传递比(energy transfer ratio,ETR)和能量耗散集中度(energy dissipation concentration,EDC)指标,从时程能量角度表征主梁结构的动力响应特征。

其中,能量传递比ETR用于衡量输入地震动能量与结构的振动响应能量的转化比,且可通过地面加速度的能量密度近似表征,可表示为

(6)

$ETR=\frac{{E}_{res}}{{E}_{in}}=\frac{{\int }_{0}^{t}{\ddot{u}}_{z}^{2}\left(t\right)dt}{{\int }_{0}^{t}{\ddot{u}}_{g}^{2}\left(t\right)dt}$

式(6)中:${\ddot{u}}_{z}^{2}$(t)为主梁跨中竖向加速度;${\ddot{u}}_{g}^{2}$(t)为地面竖向加速度;E_res为响应能量强度。

考虑到结构所受地震能量若在短时间内集中输入,会导致局部应力集中等不利现象。因此,可引入能量耗散集中度指标EDC,以此反映结构能量输入是否呈现瞬时集中特征,可表示为

(7)

$EDC=\frac{max\left[\frac{d{E}_{res}\left(t\right)}{dt}\right]}{{E}_{res}}$

式(7)中,EDC越大,表明能量在结构中呈现短时集中输入,主梁结构所承受的冲击性越强,潜在的损伤风险越高。

针对频域段,采用功率谱密度(power spectral density,PSD),分析不同加速度值在单位频率f上的能量密度,并引入频率放大因子(spectral transfer function,STF),以识别结构在不同频率段的能量放大行为。

(8)

$STF\left(f\right)=\frac{RMS\left[PS{D}_{str}\right(f\left)\right]}{RMS\left[PS{D}_{g}\right(f\left)\right]}$

式(8)中:RMS为均方根计算;PSD_str为桥梁结构的PSD;PSD_g为地面的PSD;f为结构频率。

1.2 基于Beta分布的桥墩评估

基于Beta分布的震害评估本质是对结构开展地震需求分析,通过分析地震动强度因子(intensity measure,IM)与结构需求参数(engineering demand parameter,EDP)之间的关系,量化结构在不同地震动强度下的震害。

EDP数学表达式为

(9)EDP=function(IM)

式(9)中:IM为地震动强度因子,以峰值地面加速度(peak ground acceleration,PGA)表征;EDP为结构工程需求参数,以墩顶最大位移表征。

在量化结构的超越概率过程中,结构损伤状态可通过屈服曲率φ进行评估,并将其作为桥墩损伤的判定标准,可以采用桥墩位移进行间接表征,并通过式(10)~式(14)实现转换。

(10)Δ_cy1=$\frac{1}{3}$l²φ'_y

(11)Δ_y=$\frac{1}{3}$l²φ_y

(12)Δ_u=Δ_y+$\left(l-\frac{{l}_{p}}{2}\right)$θ_u

(13)θ_u=$\frac{{l}_{p}({\varphi }_{u}-{\varphi }_{y})}{K}$

(14)l_p=0.08l+0.022d_sf_y

式中:Δ_cy1为钢筋首次屈服时墩顶位移;Δ_y为墩顶弹性位移;Δ_u为墩底出现塑性铰时墩顶位移;φ'_y为墩柱初始屈服曲率;φ_y为墩柱等效屈服曲率;φ_u为墩柱极限屈服曲率;θ_u为结构出现塑性铰时墩顶的转角;l为桥墩高度;l_p为等效塑性铰长度;d_s为桥墩内纵筋直径;f_y为钢筋屈服应力;K为安全系数,取值为2。

在此基础上,使用墩柱位移延性比表征墩顶最大位移来构建结构工程需求参数,并以此设置损伤指标,将损伤等级μ_c量化为4个区间阈值(μ_cy1、μ_cy、μ_c4、μ_cmax)^[17];其中μ_cy1取常数1,其他等级通过式(15)~式(18)求解。

(15)μ_d=$\frac{\Delta }{{\Delta }_{cy1}}$

(16)μ_cy=$\frac{{\Delta }_{y}}{{\Delta }_{cy1}}$

(17)μ_c4=$\frac{{\Delta }_{u}}{{\Delta }_{cy1}}$

(18)μ_cmax=μ_c4+3

式中:Δ为墩顶最大位移;μ_d为位移延性比;μ_cy、μ_cmax分别为钢筋等效屈服时位移延性比和极限位移延性比;μ_c4为非核心混凝土压应变为0.004时的位移延性比。

进而,可得到单个桥墩构件的超越概率为

(19)P=Φ

$\left(\frac{lnPGA-{\mu }_{ds}}{{\sigma }_{ds}}\right)$

式(19)中:P为不同地震动强度PGA下,结构超过某一损伤状态的概率;Φ为标准正态分布函数;μ_ds为某一损伤状态下的均值;σ_ds为某一损伤状态下的标准差。

通过分析单个桥墩构件与桥墩系统的破坏机理,可得到串联结构下的系统失效概率为

(20)

$max\left[P\right(i\left)\right]\le {P}_{fs}\le 1-\prod _{i=1}^{n}\left[1\right.-P\left(i\right)]$

式(20)中:P(i)为第i个单一构件的失效概率;P_fs为系统失效概率。

在此基础上,通过引入Beta概率分布模型,将其转为以震害指数表征的形式。

首先,定义随机变量x的Beta概率密度为

(21)BE(x,a,b)=$\left\{\begin{array}{ll}{(1-x)}^{b-1}\frac{{x}^{a-1}}{B(a,b)},& 0\le x\le 1\\ 0,& x＜0或x＞1\end{array}\right.$

式(21)中:BE(x,a,b)为随机变量x服从参数a、b的Beta分布概率密度函数;a、b分别为Beta分布函数的形状参数;B(a,b)为Beta函数且满足:

(22)

$B(a,b)={\int }_{0}^{1}{x}^{a-1}{(1-x)}^{b-1}dx$

由此可得到不同地震强度PGA下的Beta分布函数的形状参数a_PGA、b_PGA为

(23)a_PGA=$\frac{{E}_{PGA}^{2}-{E}_{PGA}^{3}}{{\sigma }_{PGA}^{2}}$-E_PGA

(24)b_PGA=(1-E_PGA)$\left(\frac{{E}_{PGA}-{E}_{PGA}^{2}}{{\sigma }_{PGA}^{2}}-1\right)$

式中:E_PGA、σ_PGA分别为Beta分布函数的期望与标准差。

2 工程背景

2.1 肥东9·18地震背景

2024年9月18日20:08,安徽省合肥市肥东县(31.98°N,117.6°E)发生4.7级地震,震源深度12 km,市域范围内震感明显。

研究表明,本次地震序列的震源机制以右旋剪切走滑为主,震源深度主要集中在10~11 km^[18]。基于上述地震背景,从安徽省地震局获取了本次地震震中45 km范围内的强震动参数数据,结果如图2、表1所示。

2.2 桥梁概述

以肥东县实际三跨刚构桥为研究对象,该桥梁为双幅桥,左右两幅结构参数相同,选取左幅开展研究(图3)。全桥结构总长105 m,桥跨布置为32.5 m+40 m+32.5 m=105 m,单幅桥宽为 22.5 m,上部结构为单箱三室箱梁,采用C50混凝土,桥墩采用Y形墩,采用C40混凝土,桥台采用轻型桥台,正交布置,全桥采用HRB400钢筋。桥梁抗震设防等级为7度0.1g(g为重力加速度),反应谱特征周期为0.35 s。

为准确模拟桥梁在地震作用下的非线性动力响应特性,模型基于实际桥梁的设计参数构建,综合考虑了材料非线性及塑性铰的分布特性,混凝土部分采用Mander本构模型,钢筋则采用双折线模型。

案例桥梁上共布置了21个监测点位,监测内容主要包括结构挠度(D1~D3)、支座纵向位移(EX1~EX2)、梁底应变(SX1~SX6)、结构温度(T1~T6)、结构振动(AZ1~AZ3)以及桥面监控(CAM1)。

其中,结构挠度采用静力水准仪实时监测,共布设3个点位,基准点布置在0#桥台,余下2个挠度测点分别布置在中跨和边跨的跨中梁底处;支座纵向位移采用拉线式位移计实时监测,共布设2个点位,分别布置在梁端两侧;结构应力应变采用电阻式应变计实时监测,共布设6个点位,分别布置在每跨跨中处;结构温度采用温度计实时监测,共布设6个点位,与应变测点相同;结构振动采用单向加速度计实时监测,监测结构竖向振动,共布设3个点位,分别布置在每跨的跨中处。桥梁结构监测点位布置如图4所示。

3 刚构桥震后性能评估结果

3.1 主梁抗震性能评估

地震对桥梁结构的影响在很大程度上受桥址地基条件的制约。综合考虑地震台站与桥址区域的地理分布关系,最终选取AD1台站记录的地面三向加速度时程作为地震动输入数据来源。同时,结合上述的桥梁监测数据,将AZ1~AZ3的竖向加速度记录作为结构响应数据,用于开展主梁能量响应分析,结果如图5所示。

由图5可知,20:08地震台站以及结构监测设备均采集到振动数据,且出现明显的峰值响应。其中,场地土的振幅为491.40 mm/s²;AZ1振幅为62.51 mm/s²。

进一步,基于实测地震动加速度数据,分别将地面和主梁跨中测点的竖向加速度时程代入式(1)~式(8),分析主梁结构在此次地震作用下的能量传递比及能量耗散集中度参数,从而量化评估主梁在地震作用下的能量响应特征与传递效率。计算结果如表2、图6所示。

由表2与图6可知,三跨刚构桥主梁跨中3个测点在本次地震作用下的能量响应整体较弱,能量传递比ETR均小于0.005,分别为0.003 4、0.000 9和0.002 5。尽管地震动具有一定的输入能量强度,但实际传递至主梁跨中并被结构吸收的能量极为有限,表明主梁跨中对地震动不敏感。

此外,两边跨的EDC均高于8.0,AZ2约为4.0,说明虽然结构整体能量输入较小,但能量响应在时程中具有显著的短时集中特征。3个跨中测点的竖向加速度峰值均出现在27~30 s,对应时段内累积能量响应亦迅速上升,尤其是AZ1和AZ3,能量增长斜率更大,AZ2则相对平缓。总体而言,主梁结构表现出能量响应低、耗散集中度高的双重特征,说明其在本次地震中处于安全状态。

在频域分析方面,对比了地面自由场竖向加速度与主梁跨中结构响应的频谱分布特征。采用Welch方法对原始加速度数据进行窗函数分段处理和平滑频谱估计,并提取0~25 Hz范围内的能量密度谱。随后将频域按1 Hz为步长进行划分,计算各频段内的均方根值及频率放大因子,如图7所示。

由图7可知,地震能量主要集中在1~6 Hz频段,地面加速度的均方根功率谱密度在该频段内整体较高,峰值超过6.5×10³ mm/s²,表明地震输入具有典型的低频特征。然而,结构在该频段的响应较弱,STF均小于1,表明主梁对低频能量具有较强的衰减能力。在7~10 Hz区段,结构响应显著增强,STF在9 Hz处达到峰值11.47,说明该频段的能量在主梁中发生了明显放大。13~16 Hz区段内,STF基本维持在2.0~2.6,结构仍存在一定的频率响应增强趋势,但对应能量相对较低。

3.2 支座位移风险评估

桥梁的纵向位移通常受温度变化、车辆制动力及地震作用等多种因素影响。为评估支座状态,将位移数据与同步的温度监测数据进行相关性分析,探讨温度变化对桥梁纵向位移的影响,如图8所示^[19]。在此基础上,将地震动输入导入数值模型,提取理论梁端位移数据,如图9所示。

由图8可知,支座的纵向位移EX1以及EX2与结构温度之间存在较高的相关性,相关系数分别为0.710 2与0.705 3。表明震前震后,梁端纵向位移主要受温度效应控制,位移随温度变化呈现规律性。

由图8、图9可知,在地震发生后,支座的纵向位移曲线未出现明显的突变或异常波动。震前震后实测最大位移变化量为0.245 mm,远小于理论梁端位移0.87 mm。表明结构在本次地震中表现出良好的抗震性能,未出现由于地震作用引起的明显损伤或异常位移。

3.3 桥墩地震易损性评估

基于表1中震中45 km范围内的地震强震动参数,结合桥梁距震中约18 km的地理位置,选取震级为4.5~6.0 级、测站距震中15~20 km、场地参数V_s30在200~300 m/s范围内的地震记录。最终,从太平洋地震工程研究中心地震动数据库中筛选出20个符合条件的地震事件,共计60条地震动记录,结果如表3所示。

将上述地震动记录的反应谱求其均值,与规范规定的设计反应谱进行对比。结果表明,平均反应谱与设计反应谱吻合程度较好,选取的地震动记录能够满足抗震分析的精度需求,结果如图10所示。

进一步对案例桥梁的墩柱截面进行弯矩曲率分析,以确定桥墩在不同地震工况下的非线性性能。通过将弯曲曲率曲线等效成双折线模型,如图11所示,提取墩柱截面的曲率结果。

基于弯矩曲率分析结果,代入上述式(9)~式(18)中,可求得桥梁下部结构地震易损性阈值。基于桥梁模型,采用非线性时程分析提取桥墩墩顶最大位移,如图12所示。

进一步,将不同地震动强度下的墩顶最大位移分别比对易损性阈值,并代入式(19)、式(20)可得到桥墩易损性矩阵。在此基础上,通过引入Beta分布构建结构超越概率模型,代入式(21)~式(24)可以将易损性矩阵转为下部结构系统的震害指数表达式(表4),开展桥梁下部结构震害指数分析,如图13所示。

由图13可知,桥梁下部结构系统的震害指数随着PGA的增大呈缓慢上升趋势。当PGA较小时(如0.1g~0.3g),震害指数维持在0.3~0.4,说明此阶段结构大多处于轻微损伤甚至未损状态,系统整体仍处于弹性响应阶段。随着PGA增长至中等强度(0.4g~0.6g)后,震害指数略有上升,为0.4,表明结构内部逐渐出现中度甚至局部严重损伤的可能性,但整体未发生震害突变,系统抗震性能仍具备一定裕度。当PGA达到0.7g以上,震害指数接近0.5,表明系统中已有较大比例的单元或子构件处于重度损伤甚至临界状态,结构破坏概率显著上升。

结合本次地震事件的实际地震动强度(PGA≈0.2g),可知其对应的系统震害指数约为0.39,处于轻微损伤区间。说明下部结构整体仍保持良好受力状态,未达到性能退化阈值,结构震害风险较低,具备良好的抗震安全裕度。

4 震后现场巡查与外观状况

肥东4.7 级地震发生后,对案例桥梁开展了震后现场巡查。由于桥下为常年涉水区域,人工巡查主要针对桥面及近岸边跨桥台附近。典型震后照片如图14所示。

由图14(a)可知,桥梁整体线形平顺,跨中未见异常挠度或不均匀沉降现象,主梁及刚构墩混凝土表面基本完整;现场巡查时发现,在桥台立面存在一条竖向的微小裂缝,如由图14(b)所示,裂缝宽度约为0.1 mm,未贯通截面,也未观察到大面积混凝土剥落。结合裂缝形态及周边风化、渍蚀斑迹判断,该裂缝主要为温度、环境等因素引起的耐久性裂缝,与本次地震关系不大,对桥台整体承载性能影响有限;由图14(c)可知,支座整体工作状态正常,未出现支座剪切破坏、挤出或梁端明显错位,局部渗水和锈蚀痕迹属长期服役病害;图14(d)所示桥面伸缩缝及其邻近铺装基本完好,缝两侧未见明显高低错台或开裂扩展,栏杆、人行道等附属构造亦未观察到明显震害。

综合现场巡查结果可知,案例桥梁在本次地震中未出现明显结构性震害,整体处于轻微损伤等级。该结论与监测数据反演得到的主梁应变、支座位移及墩顶位移均未接近设计地震弹性限值的结果一致,也从工程实证角度验证了基于多源监测数据的震后性能评估结果的合理性。

5 结论

基于合肥市肥东县4.7 级地震事件,同步获取了震时场地地面加速度数据与桥梁结构安全监测数据,基于能量传递理论开展了主梁抗震性能与梁端稳定性评估,分析了地震动作用下结构能量的输入、传递与响应特性;在此基础上,结合地震动输入与桥墩顶位移数据,利用Beta分布推导结构超越概率模型,量化了桥墩系统在不同地震的强度下的震害指数。提出了一种融合多源监测数据的既有刚构桥震后性能评估方法,并分别对主梁、支座及桥墩系统进行了震后快速评估。得出如下结论。

(1)主梁在地震作用下的能量传递比均小于0.005,振动响应整体较弱,地震能量吸收有限。频域分析结果显示主梁在7~10 Hz频段存在频率响应增强,但整体幅值较小,地震过程中主梁结构处于安全受力状态。

(2)支座在地震前后纵向位移变化量为 0.245 mm,远小于理论最大容许位移0.87 mm,且位移变化主要受温度效应控制。地震期间支座未发生明显异常位移或滑移现象,桥梁落梁风险极低,支座系统边界条件稳定性良好,未对整体结构安全性产生不利影响。

(3)在PGA约为0.2g的本次地震事件下,桥墩系统震害指数约为0.39,处于轻微损伤区间,整体未达到性能退化阈值,下部结构系统震害风险较低,结构具备良好的抗震安全裕度。

(4)震后现场巡查结果表明,桥梁整体线形及主要构件外观基本完好,仅存在少量与长期服役相关的耐久性裂缝,与基于多源监测数据得到的震害指数处于轻微损伤区间的分析结果一致,说明本桥在本次地震中未发生明显的性能退化。

(5)基于多源监测数据构建的震后性能评估方法仅依赖常规强震记录与长期监测信息,在监测布设较完善的城市中小跨刚构桥及连续梁桥中具有良好工程适用性;通过对能量指标和震害指数模型进行参数标定,即可推广实现震后安全性快速判别和震害等级量化,为区域性桥梁震后功能恢复与交通组织优化提供决策支持。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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