大型双槽渡槽结构地震易损性分析

钱玉林 徐一鸣 张春宇 徐建国 张金鹏 刘雪敏

摘 要：为评估大型钢筋混凝土渡槽结构的抗震性能，以南水北调中线工程某三跨双槽渡槽为例，基于ＯｐｅｎＳｅｅｓ 平台中的纤维梁单元创建渡槽有限元模型，同时考虑槽内水位条件的不同以及地震波的随机性，通过增量动力法进行非线性动力时程分析，获得各易损构件的地震响应峰值；采用传统概率地震需求分析方法对数据进行线性回归，进而得到渡槽结构槽墩和支座的地震易损性曲线。研究结果表明：槽内水位变化对渡槽结构的地震响应有较大影响，通过对槽墩与支座开展损伤超越概率分析计算，说明满槽情况下各构件损伤超越概率增长速率最快。

关键词：双槽渡槽；地震响应；地震易损性分析；抗震性能

中图分类号： ＴＶ６７２．３；ＴＶ３１２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２７

引用格式：钱玉林，徐一鸣，张春宇，等．大型双槽渡槽结构地震易损性分析［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：１４７－１５１．

大型渡槽工程作为生命线工程，具有排涝、导流和跨流域调水等多种功能，然而不少重要的调水工程都经过地震高烈度地区，在剧烈地震动作用下，渡槽结构在调水过程中易发生损伤和破坏，导致输水中断，对周边地区造成严重威胁，因此研究大型渡槽结构的抗震性能具有重要意义［１－３］ 。目前国内外关于大型渡槽这类在跨度与宽度上相差悬殊的水工建筑物的地震易损性研究相对较少，由于渡槽与桥梁具有相似的结构特性，因此本文借鉴桥梁结构的易损性分析方法对渡槽的抗震性能进行研究。Ｒｏｙ 等［４］ 基于传统Ｐａｒｋ－Ａｎｇ损伤指标，提出一种适用于双向地震动抗震分析的损伤指标，通过对典型钢筋混凝土桥梁进行地震易损性分析来量化桥墩在双向地震作用下的损伤情况。

Ｋａｒｉｍ 等［５］ 建立日本某典型公路桥梁有限元模型并进行地震易损性分析，将得到的理论易损性曲线和基于实测震害数据建立的经验易损性曲线进行对比研究，验证了此分析方法的适用性。李立峰等［６］ 通过地震易损性分析方法研究了氯离子侵蚀对高墩大跨连续刚构桥全寿命周期的抗震性能的影响。吴姗姗等［７］ 基于传统可靠度理论对我国常见的铁路简支梁桥进行了三维地震易损性分析，评估了该类桥梁在近地场地震作用下的抗震性能。通过借鉴现有研究成果，本文以某三跨双槽渡槽为研究对象，通过ＯｐｅｎＳｅｅｓ 平台建立该渡槽的有限元模型，基于增量动力法对渡槽进行非线性动力时程分析，得到渡槽结构各易损构件的地震易损性曲线，最后对比分析了不同水位条件对渡槽抗震性能的影响。

１ 渡槽概况与有限元模型

１．１ 渡槽概况

本文以南水北调中线工程的老张庄双槽渡槽为例，上部结构为预应力混凝土矩形双槽结构，槽身采用Ｃ５０ 混凝土，底宽５．００ ｍ、槽深４．２５ ｍ，１００ ａ 一遇设计流量为６４ ｍ３ ／ ｓ，设计水深为２．２１ ｍ。下部为单排架圆形槽墩，采用Ｃ３０ 混凝土浇筑，基础为钻孔灌注桩，支架为单排三立柱结构，高１０．４０ ｍ、直径１．２ ｍ，每个槽墩设置纵向钢筋１０Φ１６，箍筋Φ８＠ ２００，保护层厚度为０．０６ ｍ，设盖梁和联系梁，设计混凝土密度为２ ５００ ｋｇ／ｍ３，泊松比为０．２。支座采用板式橡胶支座。渡槽立面结构和横截面示意见图１、图２。

１．２ 有限元模型

１．２．１ 模型构建

本文采用ＯｐｅｎＳｅｅｓ 有限元程序建立双槽渡槽有限元模型，单元数为１３８、节点数为１３９，如图３ 所示。纤维梁单元因能够较好地表现和模拟钢筋混凝土构件的材料软化、刚度退化等损伤效应及轴力、弯矩的耦合效应且计算工作量较小而被广泛使用［８］ 。本文采用纤维梁单元模型模拟钢筋混凝土渡槽结构中槽墩、盖梁、槽体、联系梁构件，见图４。采用附加质量法将水体固结于槽身［９］ ，槽墩底部采用固定约束，不考虑桩基和土體对渡槽结构的作用。通过对零长度弹簧单元每个方向赋予不同的刚度来模拟板式橡胶支座，其恢复力模型如图５ 所示，其中屈服力Ｆｙ 和屈服位移ｄｙ分别为１．０９×１０７ Ｎ 和１４０ ｍｍ。相邻槽身之间的伸缩缝通过带初始间隙的双线性接触单元来模拟，在每个伸缩缝中使用３ 个接触单元模拟槽身之间的碰撞，其恢复力模型如图６ 所示，其中初始间隙Ｇａｐ和弹性模量Ｅ 分别为４０ ｍｍ 和６．１×１０６ Ｐａ。

１．２．２ 本构关系

渡槽结构的混凝土选用ＯｐｅｎＳｅｅｓ 材料库中的ＣｏｎｃｒｅｔｅＤ 本构模型，它是基于我国混凝土设计规范建立的混凝土弹塑性损伤本构模型［１０］ ，如图７ 所示，其中ｆｃ和ｆｔ分别为混凝土单轴抗压和抗拉强度，εｃ 和εｔ 分别为混凝土峰值压应变和峰值拉应变。该本构模型可以将混凝土材料的非线性与随机性耦合到统一的体系中，综合反映混凝土的非线性与随机性。渡槽结构的钢筋采用Ｓｔｅｅｌ０２ 钢筋本构模型，该本构模型是在Ｇｉｕｆｆｒｅ－Ｍｅｎｅｇｏｔｔｏ－Ｐｉｎｔｏ 钢筋本构模型的基础上进行修正得到的双折线模型，它可以同时考虑双向Ｂａｕｓｃｈ⁃ｉｎｇｅｒ 效应和等向强化效应，如图８ 所示，其中σｙ 和εｙ分别为钢筋的屈服强度和屈服应变，Ｅ１ 和Ｅ２ 分别为钢筋的初始屈服模量和屈服后的弹性模量。

３．３．１ 槽墩地震易损性分析

由于本文的渡槽结构为多跨简支结构，各槽墩具有相似的地震响应，因此以某一跨槽墩为例研究其地震易损性，槽墩易损性曲线见图１１（ＰＧＡ 为地震动峰值加速度）。

由图１１ 可知：空槽、半槽、设计水位、满槽条件槽墩具有相似的地震易损性曲线，其损伤超越概率随着地震峰值加速度的增大而增大、随着损伤状态的加重有所减小，且不同损伤破坏状态对应的槽墩损伤超越概率差异显著。当地震动峰值加速度（ＰＧＡ）为０．３ｇ（抗震烈度为８ 度）时，相比于空槽状态的各损伤超越概率，半槽时槽墩的４ 种损伤超越概率分别提高了６．１０％、１．５３％、０．５９％、０．０３％，设计水位时槽墩的４ 种损伤超越概率分别提高了１７．５２％、６．０１％、１．８７％、０．０５％，水位条件为满槽时槽墩的４ 种损伤超越概率分别提高了６０．２７％、１０．２１％、３．９５％、０．７８％。这表明渡槽结构中水体的多少对槽墩的地震响应产生了较大的影响，且水位条件不同对损伤破坏状态的影响程度不同，随着渡槽中水位逐渐上升，在各种损伤状态下槽墩超越概率逐渐增大，且轻微损伤状态的超越概率提升最显著，中等损伤的超越概率提升次之，说明水位上升引起渡槽上部结构质量变大，地震动引起惯性力增大进而产生更大的地震损伤。

３．３．２ 支座地震易损性分析

通过绘制不同水位条件下支座的地震易损性曲线，研究水位条件的改变对支座地震易损性的影响，支座的地震易损性曲线如图１２ 所示。

通过对比槽墩和支座的地震易损性曲线，说明两者的地震易损性曲线具有同样的变化规律，槽内水位的上升使得支座在４ 种破坏状态下的损伤超越概率都有所增大。当ＰＧＡ 为０．３ｇ（抗震烈度为８ 度）时，支座构件各个工况的损伤超越概率均比槽墩构件的大，这表明渡槽结构通过耗能支座的率先损伤来减缓槽墩的破坏，符合渡槽结构抗震设计要求。

４ 结论

１）本文基于精细化纤维梁单元和混凝土损伤本构模型建立了大型双槽渡槽结构有限元分析模型，并基于位移延性比理论对渡槽结构进行了地震易损性分析，可较准确得到渡槽在不同损伤状态下的损伤超越概率。

２）各水位条件下槽墩具有相似的地震易损性曲线，其损伤超越概率随着地震峰值加速度的增大而增大、随着损伤程度的提高有所减小，且不同损伤破坏状态对应的槽墩损伤超越概率差异显著。

３）渡槽结构中水体的多少对槽墩的地震响应产生了较大影响，且不同水位条件对不同损伤破坏状态的影响程度不同，随着损伤程度的不断提高，水位条件变化的影响逐渐减小；随着渡槽结构中水位逐渐上升，槽墩在各个损伤状态下的超越概率逐渐增大，且轻微损伤状态的超越概率提升最为显著，中等损伤超越概率的提升次之。

４）计算表明该大型双槽渡槽結构具有足够的抗震能力，满足８ 度地震基本烈度地区的抗震设防要求。同等地震强度条件下，支座比槽墩更易发生损伤，这表明支座构件先于槽墩发生破坏，满足渡槽结构抗震设计要求。

参考文献：

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【责任编辑 张华岩】