桥梁工程师评职范文地震易损性分析综述

　　摘要：地震易损性是指在不同强度地震作用下工程结构发生各种破坏状态的条件概率，它可以从概率的意义上定量地刻画结构的抗震性能，从宏观的角度描述地震动强度与结构破坏程度之间的关系。结构的地震易损性分析对于预测结构的抗震性能，进行结构的抗震设计，加固和维修决策具有重要的应用价值。本文论述了国内外桥梁易损性分析研究的概况，介绍了易损性分析的方法，并对桥梁的易损性提出了存在的问题和发展前景，以及今后尚需开展的工作，以推动桥梁工程的发展。

　　关键词：桥梁,地震易损性,易损性曲线

　　1. 引言

　　桥梁是交通生命线系统中的重要枢纽结构。在经济发展，人民生活，抗震救灾中都处于极其重要的地位。历史上发生过许多大地震都给桥梁造成了十分严重的破坏[1]。 1906年，美国旧金山大地震中一座铁路桥倒塌，另外还有5座桥梁失去使用功能，桥台向河心滑移，桥墩横、纵向移位或扭转;据统计，在1976年我国唐山大地震中，在Ⅶ至Ⅺ区内的130座大中型钢筋混凝土梁式桥中，倒塌18座，严重破坏20座，中等破坏34座。1994年美国加利福尼亚南部的Northridge地震使170座桥梁受到到了诸如桥墩开裂，桥台后填土下沉等不同程度震害，造成损失约140亿美元;1995年日本阪神地震对于桥梁破坏更为严重，共有9处落梁或是接近落梁，16处发生严重破坏，造成损失约1500亿美元。

　　桥梁地震的地震易损性(Seismic Fragility)是指在不同强度地震作用下桥梁结构发生各种破坏状态的概率，通常用离散的矩阵(Damage Probability Matrix, DPM)或连续的地震易损性曲线(Seismic Fragility Curves)来描述，二者可以相互转化。更具体地，在地震工程中，易损性定义为在给定的地面运动强度下，比如峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration PGA)、谱加速度(Spectral Acceleration SA)、地面运动的频谱或持续时间，结构构件或系统失效的条件概率[2]。

　　2. 地震易损性分析的发展概况

　　社会学家在20世纪70年代开始怀疑传统的自然灾害范式，而易损性曲线的研究也正是在这个时候开始萌芽。在20世纪70年代核电站的地震概率风险评估里，将机械和结构系统的抗震能力以概率分布的形式表示出来开启了易损性曲线的形式来研究结构 地震易损性的先例。

　　美国和日本是两个多地震的国家，地震给受灾的城市和国家造成了巨大的损失的同时也留下了详实的灾害记录，许多国外学者尤其是美国、日本两个国家的学者针对地震留下的记录中关于桥梁损伤的记录，对桥梁地震易损性进行了大量的经验性分析。Shinozuka等[3]基于1995年神户地震中观测到的桥梁损伤数据，建立了高速公路桥梁墩柱的经验易损性曲线，两参数的对数正态分布函数用来表征易损性曲线，参数通过最大概率方法来估计。Tanaka统计地震易损性时，假定易损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。以PGA表征地震地面运动强度的易损性曲线假定为对数正态分布的函数形式，发展了一系列经验易损性曲线。随着研究的不断深入，国外很多学者不再满足于仅仅局限某一具体地震资料的经验易损性分析，而转向寻求一种理论上合理的解析分析方法。Karim和Yamazaki合作提出了一种用数值模拟的方法建立理论易损性曲线的方法，在此基础上Karim和Yamazaki又进一步提出使用简化的分析方法并结合有限元的理论与技术建立了易损性曲线。Shinozuka采用蒙特卡罗模拟法作为检验方法，对美国孟菲斯地区预应力混凝土连续梁桥进行易损性分析，得到解析地震易损性曲线。Kim等[4]研究了地震动的空间变异特性对桥梁地震易损性的影响，并对桥梁的钢筋混凝土柱在抗震加固前后的易损性进行了对比分析。Mander&Basoz[5]采用能力谱方法(CSM)发展桥梁的易损性曲线。Choi E[6]采用非线性分析模型，合成地面运动，首先形成每种桥梁类型的独立构件(墩柱，支座)的易损性曲线，然后采用第一顺序可靠度原则合成代表整个桥梁系统易损性曲线。

　　我国对房屋建筑结构的地震易损性分析取得了一定的成果，但对于桥梁结构[7-9]的地震易损性分析仍处于起步阶段。但由于我们国家发生过例如唐山、汶川、玉树这样的有记录的大地震，丰富的地震记录让一些国内学者对桥梁地震易损性的研究做了许多有价值的工作。王东升等[10]通过引入桥梁震害预测分类，建立了一种属于近似地评估桥梁地震易损性的一类方法。朱美珍等[11]根据唐山，海城，通海地震中100多座公路桥梁的震害资料，考虑9个影响因素，建立了公路桥梁易损性计算公式。由于桥梁震害的主要因素归为结构的延性，因此利用PushOver方法进行结构抗震能力分析进而进行易损性分析得到了广大国内学者的认可。PushOver方法较早由Imbsen和Penzien等[12]提出用于桥梁的抗震能力评估，国内学者常岭等[13]也曾提出过类似方法。随着信息处理技术的成熟和新型数学知识在工程界的广泛应用，人工神经元网络技术[14-16]和基于模糊数学[17-19]、灰色系统理论[20-21]的桥梁易损性分析方法也应运而生。

　　3.桥梁易损性分析方法

　　目前，桥梁易损性分析方法主要有：经验统计法，规范校核法，非线性静力分析法(Pushover法)，计算屈服强度系数法，综合评判法，特征类比法，基于BP神经网络的方法，基于模糊数学和灰色理论系统的方法, 非线性动力分析法等。

　　经验统计法是根据历史震害经验、桥梁抗震理论及桥梁样本所提供的资料，选择影响桥梁震害的主要因素，再根据大量样本进行各影响因素的影响方式和权值的统计回归，从而建立桥梁易损性分析方法。经验统计法的误差源自桥梁震害影响取舍、回归公式的形式、桥梁样本数、影响因素之间的相互作用等几个方面。但经验统计法不需要通过复杂计算就可以确定桥梁在未来地震中可能的破坏等级，使用起来经济方便，特别适合某个地区或城市大量桥梁需要进行易损性分析及震害预测，亦可用于建设年代较早的重要简支桥梁的单体震害预测。久保庆三郎[22]，朱美珍[11]等在这方面有较深入的研究。

　　规范校核法是先根据《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)中的有关规定计算桥梁主要结构构件的地震作用，然后将地震作用效应与恒载效应组合，得到结构构件的内力，并与结构构件的极限荷载相比较，从而给出桥梁结构的震害等级。规范校核法计算公式与现行规范一致，易于工程技术人员掌握和应用，但由于受规范认识局限性和破坏准则的限制，仅能隐含地反映钢筋混凝土结构延性抗震要求。因缺少统计数据，材料的真实强度往往以名义强度代替，从而带来误差。规范校核法属于半经验半分析的易损性分析方法。王东升[10]，黄龙生[19]在这方面有较深入的研究。

　　Pusover分析方法是通过对结构施加单调递增水平荷载来进行分析的一种非线性静力分析方法。该方法通常将相邻伸缩缝之间的桥梁结构当作空间独立框架考虑，上部结构通常假定为刚性。分析的初始阶段是对单独的排架墩在所考虑的方向上(顺桥向或横桥向)进行独立的倒塌分析，以期获得构件在单调递增水平荷载作用下的整个破坏过程及变形特征。之后，整个框架的分析将桥墩刚度模拟为非线性弹簧，计算出整体框架的初始刚度中心、横向刚度和转动刚度以及质心处的等效刚度。在框架质心处，通常是上部结构的质心，施加单调递增的水平力，并且随着框架非线性发展的程度，不断调整各个桥墩的刚度和结构的刚度，直至结构达到最终极限状态为止。目前,有代表性的几种是：能力谱方法、位移影响系数法和适应谱方法。Pushover方法可用于评估钢筋混凝土桥墩的延性抗震能力和伸缩缝处的可能最大地震相对位移。但非线性静力模型参数难以精确确定，需大量实验及实地观测确定，且计算繁琐。Ghobarah[23],潘龙[24]等在这方面有较深入的研究。

　　计算屈服强度系数法是通过对钢筋混凝土桥梁弹塑性位移反应规律的总结和分析，结合这类桥梁的特点，建立相应的屈服强度系数，来估算桥梁的弹塑性位移和梁式桥的震害。该方法克服了以往统计分析方法对重要桥梁抗震能力分析过于粗略的缺点。但该法仅适用于强市桥的震害预估。王菁等[25]在该方法上有深入研究。

　　综合评判法调查的目标是桥梁结构的破坏概率矩阵、设施损失率、功能损失率和震后恢复过程。过程驻澳是设计调查问卷和确定专家人选，然后通过专家咨询打分或模糊综合评判等手段，几轮回收专家问卷的形式，得出震害预测结果，给出桥梁的破坏概率。该方法用于图纸不全、建筑材料特殊、施工质量相差悬殊，无法用动力学理论进行分析的建筑物。但仅是对个别施工图纸不全等桥梁震害预测的补充。王永平[26]在该方法上有较深入的研究。

　　特征类比法通过大量调查、分类及利用其他方法获得一批有代表性的结构物的易损性矩阵或向量。建立相应的数据库，并对这批建筑的特征表述进行分档和参数化。该方法适用于桥梁群体震害预测，常在一个城市的震害预测工作中采用，不适用于单体桥梁的震害预测。郭丰哲[27]对该方法有较深入研究。

　　基于BP神经元网络的方法是基于计算机对生物神经系统的模拟。神经计算通过涉及大量被模拟的神经或处理单元的相互作用来加工信息。人工神经网络模型可视为一种非线性映射的数学模型或分类器，它可通过对已知样本的学习，在模型的输入和输出之间建立起一种对应关系，利用这种映射关系可对未知样本进行估计或分类。该方法用人工神经元中的BP算法，针对问题非线性、不确定性等特点，非常适用于那些具有样本知识，但又难以用数学模型表达的一类问题的求解。神经网络方法由于其无参数、非函数及强适应性，从而根本上区别于回归分析等其它方法。因此，用人工神经元网络方法处理桥梁易损性分析问题是一条新的有效途径。基于神经网络和GIS数据库的桥梁易损性分析方法可以在一定程度上减小统计分析方法产生的误差，而且便于开发软件。赵成刚[14]，刘兴业[15]，韩大建[16]等在该方法上有较深入的研究。

　　基于模糊数学和灰色理论系统的方法从桥梁震害出发，综合考虑影响桥梁震害的各种因素，然后量化震害因子，通过模糊数学方法结合灰色系统理论和概率方法，建立随机的或模糊的影响因素所造成桥梁破坏的跟易损性挂钩的矩阵，从而对桥梁进行易损性分析。这种方法适用于区域性群体桥梁易损性分析。但在应用中还存在一些问题，需要进一步的研究。刘勇生[17]，陈一平[18]，程海根[20]，宋龙伯[21]等对该方法有较深入的研究。

　　非线性动力分析法根据所采用数学方法的不同，这种方法又可分为极大似然估计法、传统的可靠度分析方法和全概率方法。以Shinozuka[28]等为代表，采用极大似然估计法得到桥梁结构的易损性曲线。在这种方法中，以能代表不同超越概率的三组地面运动记录来体现地面运动的不确定性;结构特性的不确定性则是按结构的一些特性参数(材料和几何参数等)被假定为服从一定概率分布的参数来考虑，然后通过Monte Carlo抽样方法得到对桥梁进行地震响应分析的样本;桥梁结构的极限状态的确定，是用桥墩的漂移比来规定的。对每一样本(地面运动时程和桥梁结构样本)进行非线性时程分析，利用极大似然估计法得到的所研究桥梁结构的易损性曲线的似然函数。由于地震作用下对结构进行分析的复杂和困难，使得研究结构易损性曲线时结构的随机样本数量较少，使得分析结果的可靠度较低。Mackie和Stojadinovic[29]引入了工程需求参数(EDP)后，在全概率理论的基础上采用下面的公式建立结构的脆弱性曲线:

　　式中，为在给定地面运动 强度度量参数条件下结构的破坏达到或超过破坏极限状态dm的概率，即结构的破坏易损性曲线;为在工程需求参数条件下结构的破坏达到或超过极限状态dm的概率;为在给定的条件下结构工程需求参数的全概率密度函数。传统可靠度方法和全概率理论可以客服极大似然估计法的缺点，可以适当减少动力分析的计算工作量。目前国内研究主要是全概率法建立理论易损性曲线，而传统可靠度方法主要是国外学者Hwang[8]等的研究。

　　尽管桥梁地震易损性分析已有十余年的研究历史，但至今还没有一个完全确切的科学方法。目前人们使用最多的是基于非线性动力时程分析的Monte Carlo模拟法，这种方法不必知道功能函数显式的解析表达式，而且可以充分利用各种非线性有限元分析软件的优势，但是它的最大缺点是计算量太大。基于随机振动理论的动力可靠度分析方法可以充分考虑地震动的随机过程特性，使地震易损性的计算更加量化，但是这种方法对理论假设要求较高，数学推导过程较严格，预测结果验证较困难。因此，如何合理地提高地震易损性分析的计算效率和精度已经成为地震易损性分析瓶颈。本文认为将结构有限元分析和可靠度分析结合起来是帮助地震易损性分析工作突破瓶颈的很好选择。

　　4结语

　　本文介绍了桥梁易损性曲线的发展概况以及桥梁易损性分析的方法。对桥梁结构的地震易损性进行研究并建立易损性曲线，能够确定桥梁结构在地震作用下将会遭受到潜在破坏，有助于桥梁的抗震设计、确定构件抗震加固的优先级、灾害反应计划、评价直接经济损失以及评估系统功能的失效情况。

　　目前，我国桥梁地震易损性分析的研究尚处于起步阶段，有许多问题还需要进一步研究，主要有：

　　(1) 目前分析中，国内研究一般采用PGA表征地震地面运动强度，但国外近年研究表明与结构基本周期相对应的SA相对于PGA有许多优越之处，故可以试着用SA表征地面强度运动去研究桥梁易损性，与PGA做出比较。

　　(2) 应对各种破坏形式下桥梁中最易损伤部位和一些关键部位去进行地震易损性分析并建立其易损性曲线，如墩柱，支座，桩基础等等，研究构件的同时，也需要对桥梁整体的易损性进行研究。

　　(3) 建立桥梁墩柱易损性曲线时，可以在各种条件下，诸如在不同墩高，不同场地类别，不同的配筋率，不同墩顶质量，不同柱截面形式，不同加载方式等等下进行易损性分析，并可讨论这些因素之间对易损性曲线的相互影响。

　　(4) 对于易损性分析中，损伤指标的确定有着至关重要的作用，一直是一个难点，在以后的分析中应对损伤指标进行进一步的研究，以建立更合理的易损性曲线。

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