近场地震作用下高铁连续梁桥易损性分析

摘 要

　　我国地处环太平洋地震带和亚欧地震带之间，一直以来都是全世界内地震动最活跃的地区之一，接近半面国土都在地震高烈度区，许多高速铁路桥梁不可避免的处于近断层中。近些年来，近场地震动对工程结构造成的大量破坏引起了学者的广泛关注，但我 国目前针对近场地震动的结构抗震设计与评估理论体系尚未形成，已有研究中考虑速度脉冲及竖向地震动等影响因素的较少。我国高速铁路建设正处于快速发展期，近场地震动作用下高速铁路桥梁抗震设计及安全性评估已成为必须考虑的内容。为此，本文以连徐高速铁路线中的新沂特大桥为工程背景，采用 OpenSees 软件进行了近场脉冲型地震动下的易损性研究。研究内容涉及高铁连续梁桥动力特性及地震响应分析、基于 PCA 的近场脉冲型地震动强度指标选取、基于易损性方法的高铁桥梁最不利地震动输入方向分析、竖向地震动对高铁连续梁桥易损性的影响分析等四个方面。主要研究内容包括：

　　1）高铁连续梁桥动力特性及地震响应分析。首先基于 OpenSees 建立了该桥的空间有限元模型；然后分析并验证了该桥的动力特性；最后根据场地土条件，分别选取了 3条普通远场地震动和 3 条近场脉冲型地震动，对比分析了主梁跨中顺桥向位移、墩顶顺桥向位移、墩底顺桥向剪力、顺桥向滑动支座位移和顺桥向固定支座位移等在两类地震动下的地震响应，并对主梁跨中顺桥向位移响应进行了功率谱密度分析。

　　2）基于 PCA 的近场脉冲型地震动强度指标选取。首先选取了 100 条近场脉冲型地震动对所建的该桥有限元模型进行了非线性动力时程分析。然后，采用 PCA（主成分分析方法）对所选桥梁构件的地震需求参数进行了降维处理，得到了桥梁结构的综合地震需求响应。最后通过线性回归建立了综合地震需求参数和地震动强度的概率地震需求模型，从有效性、实用性和充分性三方面对 18 种不同地震动强度指标进行了评价。

　　3）基于易损性方法的高铁连续梁桥最不利地震动输入方向分析。分别采用传统方法和易损性分析方法确定了该桥的最不利地震动输入方向，并将两个方法得到的结果进行了对比。在充分考虑桥墩截面各方向抗震能力差异的基础上，将全桥最不利输入方向上的易损性曲线与顺桥向和横桥向最不利输入方向上的易损性曲线进行了对比分析。

　　4）竖向地震动对高铁连续梁桥易损性的影响分析。首先对所选 100 条近场脉冲型地震动的竖向与水平向峰值加速度比值进行了分析；然后对比分析了不同竖向与水平向峰值加速度比值的固定中墩墩顶位移以及顺桥向、横桥向和最不利截面方向所对应最不利地震动输入方向的易损性曲线。

　　关键词：高铁桥梁；地震动输入方向；竖向地震动；易损性曲线；截面方向；概率地震需求模型

　　ABSTRACT

　　China is adjacent to the Pacific seismic belt in the East and the Eurasian seismic belt in the  south. It has always been one of the countries with the strongest seismicity and the most serious  earthquake disaster in the world. Nearly half of the land area is located in the area of high  earthquake intensity, and many high-speed railway bridges are inevitably located in the near  fault. The serious impact of near-field earthquake on civil engineering structures has attracted  extensive attention. However, there is no theoretical system of structural seismic design and  evaluation specifically for near-field earthquake in China, and the impact of velocity pulse and  vertical ground motion is seldom considered in the existing research. In recent years, high?speed railways have developed rapidly in China, and the seismic safety of high-speed railway  bridges under the near-field earthquakes has become a must-consider. Hence, Xinyi Bridge on  the Lianxu high-speed railway line is used as the engineering background in this paper. Based  on the OpenSees software, the seismic fragility of the bridge under near-field pulse-type  earthquakes is performed. The research contents include four aspects: dynamic characteristics  and seismic response analysis of high-speed railway continuous girder bridge, assessment of  near-field pulse-type ground motion intensity parameters based on PCA method, analysis of the  critical angle of seismic incidence based on fragility method, and analysis of the influence of  vertical earthquakes on the fragility. The specific contents are as follows:

　　1） Analysis of dynamic characteristics and seismic response of high-speed railway  continuous girder bridge. First, a spatial finite element model of the bridge was established  based on OpenSees. Then, the dynamic characteristics of the bridge were analyzed and verified.  Finally, according to the site soil conditions, three far-field and three near-field pulse-type  earthquakes are selected respectively, and the seismic responses under the two kinds of  earthquakes, such as the longitudinal displacement of the girder at the mid-span, vertical  displacement at the top of the pier, vertical shear at the bottom of the pier, longitudinal sliding  bearing displacement and longitudinal fixed bearing displacement, are compared and analyzed,  and the power spectral density of the longitudinal displacement response of the girder is  analyzed.

　　2） Assessment of near-field pulse-type earthquake intensity parameters based on PCA  method. First, 100 near-field pulse-type ground motions were selected, nonlinear dynamic time?history analysis was performed. And the peak response values of bridge members were recorded.  On the basis, the PCA （Principal Component Analysis） method was used to reduce the  dimensionality of the seismic requirements of the bridge members, and the comprehensive  seismic demand response of the bridge was calculated. Then, a probabilistic relationship  between the ground motion intensity parameters and the comprehensive seismic requirements  of the bridge was established through regression analysis, and 18 different ground motion  intensity parameters were evaluated from three aspects of effectiveness, practicability and  adequacy.

　　3） Analysis of the critical angle of seismic incidence for high-speed railway continuous  girder bridges based on fragility method. The traditional method and fragility analysis method  were used to determine the critical angle of seismic incidence of the bridge, and the results  obtained by the two methods were compared. Then, considering the difference in anti-seismic  capacity of the bridge in all directions, the fragility curves in the critical angle of seismic  incidence of the full bridge are compared with the fragility curves in the critical angle of seismic  incidence of the longitudinal and transverse directions.

　　4） Analysis of the influence of vertical earthquake on the fragility of high-speed railway  continuous girder bridges. First, the vertical and horizontal peak acceleration ratios of 100  selected near-field pulse-type earthquakes were analyzed. Then, the fragility curves of the  critical angle of seismic incidence corresponding to the longitudinal, transverse, and the critical  cross-sectional directions of the fixed middle pier with different vertical and horizontal peak  acceleration ratios are compared.

　　Key words: high-speed railway bridge; angle of seismic incidence; vertical earthquake;  fragility curve; cross-sectional direction; probabilistic earthquake demand model

目 录

　　第一章 绪论

　　1.1 研究背景及意义

　　近些年来，许多国家和地区对高速铁路建设的重视程度不断提高。已经运营和正在建设高速铁路的国家也越来越多，高速铁路建设已经成为世界铁路发展的必然趋势[1].

　　与此同时，高速铁路建设的技术也在不断更新进步，运行速度越来越快，运输能力越来越高，耗能越来越低，安全舒适程度越来越好等[2].目前，我国高速铁路在运行速度、运行里程和建设规模等方面均已经走在了世界的最前列[3].

　　目前，我国高速铁路建设正处在快速发展期。截止至 2015 年，我国提出的以"四纵四横"为主骨架的《中长期铁路网规划》已经基本建成。随着 2016 年 9 月 10 日郑州至徐州高速铁路的开通运营，我国高速铁路的运营里程已超过 2 万公里，处于世界第一位[4].截至到 2018 年末，我国高速铁路的营业里程达到 2.9 万公里，是世界高速铁路总里程的 2/3.规划至 2025 年，我国高速铁路总里程将达到 3.8 万公里[5],铁路网覆盖范 围进一步扩大，为我国经济社会的快速提供保障。展望至 2030 年，我国铁路网将基本实现县域全面覆盖的目标。我国在掌握高速铁路建设核心技术的基础上，不断发展创新，目前总体技术水平已经处于世界领先水平。

　　在高速铁路建设中，为确保线路平顺，"以桥代路"成为了最好的解决方法。我国已经建成的客运专线铁路中，桥梁总长占整个铁路线长度的 80%左右。在京沪高速铁路中，桥梁占全线总长的比例达到 80.49%[6].此外，由于高速铁路对地基的要求十分严格，"以桥代路"可以避开地基薄弱的区域，还可节约大量的用地面积[7].近年来的数据表明，在建和已建的高速铁路中，桥梁占比呈现不断扩大的趋势，表 1.1 为我国已经运营的高速铁路桥梁工程概况表。

　　我国地处环太平洋地震带和亚欧地震带之间，一直以来都是全世界内地震动最活跃的地区之一，接近半面国土都在地震高烈度区[8-9].例如，我国 1976 年发生的 7.8 级唐 山大地震，2008 年发生的 8.0 级汶川大地震。在地震中，大量基础设施遭受了破坏的严 重。据统计，在唐山大地震中，发生不同程度破坏的铁路桥梁达到 39.3%,其中，遭受严重破坏的比例高达 17.7%[10].

　　1995年日本神户发生7.2级地震[11-13],这次地震最大的特点是近场效应十分显著[14].

　　阪神地震给基础设施造成了十分严重的破坏，震源区域的公路和桥梁出现了大范围的断塌现象[15].附近的地铁设施出现大量的出轨、翻车和停电等现象，最终全部停运。在破坏最为严重的地区，多座高架铁路发生倒塌，桥梁墩柱发生断裂，更有多条铁路线发生明显的下沉现象。交通设施的大面积破坏使得救灾工作变得异常的困难，而关键主干道的修改需要花费数月的时间[14].阪神地震是日本当时有史以来最为严重的一次自然灾害，引起当地以及世界研究人员的广泛关注[16-18].值得关注的是，此次桥梁破坏最为严重的部位大都是桥墩开裂，研究人员认为这是由于设计时未考虑近场地震动方向脉冲的结果。

　　2008 年在我国汶川发生的 8.0 级大地震，极震区发生不同程度破坏的桥梁高达两千多座，其中百余座桥梁的承载能力发生严重下降，几十余座桥梁发生倒塌。值得注意的是，近断层附近桥梁的破坏程度及规模都明显大于其他区域[19-20].百花大桥第 5 跨发生整体坍塌，几乎全部桥墩都出现了压裂现象。由此可见，与日本阪神大地震类似，近场地震动给桥梁结构带来的破坏十分严重。

　　随着经济的发展，我国高速铁路的覆盖面积将不断扩大。图 1.1 为我国 2030 年中长期高速铁路网规划图，图 1.2 为中国强震及地震带分布图。对比两图可以看出，未来高速铁路桥梁将不可避免的跨越地震活跃带，这将导致我国高铁桥梁建设还将面临巨大的挑战。位于昆铁路客运专线中的南冲大桥，虽然只有 164 米，但是需要跨越 9 度地震断裂带。根据"十三五"规划，中西部地区将是未来重点建设区域，从图 1.2 中可以看出，中西部地区地震带分布十分密集，许多铁路桥梁将不可避免的要面临近场地震动的威胁。

　　以世界上最难建设的川藏铁路为例，需要跨越喜马拉雅-中亚-地中海地震带，这是世界两大地震带之一。综上所述，从我国高铁路网发展规划来看，开展近断层高铁桥梁抗震研究具有重要的战略意义。

　　美国太平洋地震工程研究中心提出了一种基于概率的地震设计评估框架，其实际是根据全概率理论对结构或构件进行全面的地震风险评估。针对桥梁结构而言，地震风险评估可为前期的设计工作提供依据，同时，还可为在役桥梁结构的抗震加固提供有益参考。最重要的是，地震风险分析可对地震带来的经济损失及震后交通系统的功能恢复进 行评估。

　　地震灾害风险分析主要包括三个方面：危险性分析、易损性分析和灾害损失分析。

　　其中，地震易损性分析是指在某种破坏状态下，结构的地震需求超过其抗震能力的概率[21-22].目前，针对高速铁路桥梁进行地震易损性分析的研究尚少。因此，有必要针对高速铁路典型桥梁地震易损性做进一步的研究。

　　1.2 近场脉冲型地震作用下桥梁抗震的研究现状

　　目前，通常采用断层距 R 来划分远、近场地震动，但是，国内外并没有统一的断层距 R 界限值。在国外，Krawinkler 和 Medina[23]在分析时将 R=13km 作为断层距界限值；Mackie 和 Stojadinovic[24]以 R=15km 作为断层距界限值；"P695 方法"[25]中以 R=10km作为断层距界限值。而大多国内学者认为远、近场地震动断层距 R 界限值取 20km[26-27].

　　近些年来发生的许多强烈地震进一步加深了人们对近场脉冲型地震动的认识，由于其对结构的强大破坏力，越来越多学者对桥梁结构在具有较大高能速度脉冲的近场地震动中的响应展开了研究。文献[28]对近场脉冲型地震动的前方向效应和滑冲效应分别进行了探讨，并与规范进行了对比。结果发现规范中关于近场脉冲型地震动的相关规定还有待完善。文献[29]对比了远、近场地震动作用下高铁桥梁的弹塑性地震响应，结果表明近场地震动作用下的结构响应明显大于远场地震动，且由于近场地震动的方向脉冲效应，速度或位移在某些时段内是引起结构破坏的控制因素。文献[30]研究了近场竖向地震动的特性及对连续梁桥的影响，统计分析发现近场地震动的竖向分量与水平分量的比值大都超过规范的建议值。同时，竖向地震动对主梁地震响应的影响明显大于桥墩。文献[31]对比了远、近场地震动作用下隔震与非隔震连续桥梁的地震响应，研究表明隔震桥梁的桥墩地震响应明显小于非隔震桥梁，近场地震动基本不影响隔震桥梁的桥墩地震响应。文献[32]分析了近场脉冲型地震动作用下减隔震连续梁桥的响应特性，结果发现速度脉冲波能与地震响应近似成正比关系，说明速度脉冲波能的大小表征了该近场地震动的破坏能力。文献[33]以大跨度刚构桥为研究对象，从破坏机理的角度对比分析了其在远、近场地震动作用下的响应特性。并基于大量地震动分析了地震动参数与结构响应间的相关性。文献[34]分析了行波效应、地震动输入方向、桩土相互作用、墩高及跨数对近场脉冲型地震动作用下直线和曲线大跨刚构桥响应的影响。文献[35]分析了两种类型速度脉冲的近场地震动对隔震桥梁响应的影响，结果发现当脉冲周期接近隔震桥梁的基本周期时，其地震响应最大。此外还发现铅芯橡胶支座的能量消散比能够对近场放大效应产生较为明显的影响。文献[36]采用大量人工近场地震动，研究了空间效应和桩土相互作用对框架桥地震响应的影响。结果发现一致激励和刚性梁地基理论并不能合理评估框架桥梁的碰撞问题。文献[37]采用缩尺模型实验，研究了具有高能量速度脉冲的近场地震动对钢筋混凝土墩梁连接性能的影响。结果发现近场地震动的方向脉冲效应会明显增大墩梁连接处的损伤程度，但不会改变其破坏机理。通过大量研究，人们对近场脉冲型地震动有了更为清晰的了解，但根据现有的研究成果，许多新的灾害现象仍然无法解释。因此，对于近场脉冲型地震动，仍有待进一步的探讨与研究。

　　1.3 桥梁地震易损性的研究现状

　　1.3.1 地震易损性概述

　　地震易损性分析是指在某种破坏状态下，结构的地震需求超过其抗震能力的概率[21],其特点是建立了地震需求和抗震能力之间的联系，通常地震易损性分析也被称为震害预测[38].地震易损性的表现形式通常包括易损性曲线函数和易损性指数这两种[39].易损性指数的最终表达形式为破坏概率矩阵[22],相对易损性函数曲线而言不够直接，所以在实际应用中使用的较少。易损性曲线函数是假设结构或构件的地震需求与地震动强度之间满足一定的函数关系，其最终的表现形式为连续的易损性曲线，由于这种表达形式简单直接，能被更广大的工程相关人员所接受，所以应用较为普遍。

　　1.3.2 桥梁结构地震易损性研究的方法及现状

　　早在 20 世纪 70 年代末，人们采用概率分析方法评估核电站等基础设施在地震作用下的概率破坏风险，第一次对这些核基础设施进行了地震易损性分析[40],从这以后，地震易损性分析方法被推广应用到各类工程结构中。20 世纪 80 代末 90 年代初，地震易损性分析方法被首次用来评估桥梁结构的地震风险[41].随着地震易损性分析方法的不断发展，其易损性曲线的获得形式越来越多。其中，根据数据来源的不同，大致可以分为以下四类：（1）基于专家数据库的地震易损性分析；（2）基于历史震害数据调查的经验地 震易损性分析；（3）基于有限元模拟的理论地震易损性分析；（4）混合地震易损性分析。

　　对于大多数学者而言，基于有限元模拟的地震易损性分析是最切实可靠的途径。因此，本文主要对该类易损性分析方法进行详细的介绍。

　　基于有限元模拟的理论易损性分析，由于其所需的数据来源可控，研究人员可以选取所需的地震动和各类分析模型进行分析。同时，随着近些年来有限元理论的发展和普及，间接的促进了该类易损性分析方法的发展。目前，基于有限元模拟的理论易损性分析方法在上述四种当中已然是应用最为广泛的。此外，对于缺乏历史桥梁震害数据的地区，基于有限元模拟的理论易损性分析方法是唯一可行的。

　　基于弹性反应谱分析方法是最早的理论易损性曲线所需数据的来源，如 Ouyang 等 人[42]以美国 Kentucky 州某高速公路桥梁为研究对象，采用弹性反应谱分析方法对其地震易损性进行了评估分析。Jernigan 和 Hwang[43]以美国中东部地区桥梁为例，同样采用弹性反应谱分析方法对其地震易损性进行了分析，同时，为了考虑结构地震需求的不确定性，首次将地震力系数引入到地震易损性分析当中，且取得了较为良好的效果。

　　由于弹性反应谱分析无法考虑桥梁结构的非线性，基于静力非线性分析方法的地震易损性曲线开始被大多学者所采用。文献[44-47]针对美国不同地区的混凝土桥梁结构，都采用静力非线性分析方法得到了其地震易损性曲线。

　　随着科技的进步，计算机性能更新速度越来越快，基于非线性时程分析方法的地震易损性分析被越来越多的科研人员所青睐[48-51].相对于静力非线性法和弹性反应谱法，基于非线性时程分析方法进行地震易损性分析存在很多优势：

　　（1）非线性时程分析方法可以较为准确地考虑多种非线性特性（材料非线性、几何非线性和边界条件非线性等），因此得到的地震响应结果同实际结果更为接近；

　　（2）非线性动力分析方法可以根据实际需求建立不同维度、考虑不同非线性的有限元模型；

　　（3）非线性动力分析方法由于可以进行多地震动多模型分析，因此可以考虑地震动不确定性、边界条件不确定性和结构材料不确定性等多种不确定性因素的影响。

　　我国针对桥梁的地震易损性研究起步相对较晚。1988 年，周神根等[52]统计分析了272 座在唐山大地震中遭受不同程度破坏的铁路桥梁的震害信息，考虑桥墩墩高、基础类型和地震烈度等多种因素，基于最小二乘方法建立了铁路桥梁的震害预测公式。1994年，朱美珍[53]总结分析了百余座公路桥梁的地震震害信息，以场地类别、地基失效程度和地震烈度等多个影响因素，基于数理统计回归理论得到了公路桥梁的震害预测公式。

　　以上这些都是基于历史桥梁震害数据进行震后灾害预测，属于经验地震易损性分析。然而，由于我国桥梁震害数据有限，形成的经验地震易损性与实际结果相差较大，工程实践指导意义不大。直到 2004 年，基于有限元模拟的理论易损性分析方法才被刘晶波和Hwang[54]引入国内，并介绍了理论易损性分析方法的详细步骤。2005 年，张海燕等[55-56]

　　基于 Pushover 分析方法，建立了不同类型场地条件下规则梁式桥的地震易损性曲线，并提出了一种简化分析方法，然后通过与基于 IDA 方法得到的易损性曲线对比，验证了该方法的有效性。2006 年，张菊辉[57]基于 IDA 方法建立了规则连续梁桥的地震易损性曲线，并分析了配筋率、配箍率和墩高等因素对其地震易损性曲线的影响。2007 年，王建民等[58]对比分析了基于非线性时程分析法和能力谱法的桥梁结构的地震易损性曲线。

　　2009 年，黄明刚[59]采用概率地震需求模型建立了公路桥梁的地震易损性曲线。2010 年，冯杰[60]采用 IDA 方法和 Hwang 等[54]提出的方法，建立了不同场地条件下连续梁桥的地震易损性曲线。2011 以后，关于桥梁地震易损性的研究开始大量出现。

　　此外，对于近几年出现的关于我国桥梁结构地震易损性分析的研究成果，归纳总结后可以发现，都是针对不同类型的单体桥梁，基于较为成熟的理论地震易损性分析方法，对其抗震性能进行评估。主要包括规则梁式桥[61-62]、普通斜拉桥[63]、大跨高墩桥[64-66]、隔震梁桥[67-68]、矮塔斜拉桥[69-70]、斜腿刚构桥[71]、悬索桥[72]等。由此说明，我国桥梁结构的地震易损性研究已逐渐成熟，成果也越来越丰富。针对高速铁路桥梁，文献[73-81]

　　从轨道系统、结构参数、多维地震动等方面对高速铁路桥梁进行了地震易损性研究。相对而言，高速铁路桥梁的地震易损性研究目前还处于探索阶段，尚需进一步研究。

　　1.4 竖向地震动对桥梁响应影响的研究现状

　　近些年来，全球范围内发生了多次大地震，从这些强震中，我们获得了丰富的近场脉冲型地震动记录。此外，竖向地震动作用的痕迹在许多桥梁结构中都很明显，部分结构的损伤甚至是由竖向地震作用直接导致的。特别是在近断层区，竖向地震动的作用十 分明显[82-87].

　　根据我国《建筑抗震设计规范》规定，竖向地震动影响系数的峰值取为水平向的 65%,且与水平向地震动的谱型一致[88].但统计结果表明：竖向与水平向地震动峰值加速度比值会往往大于规范值[86, 89],部分竖向地震动峰值加速度甚至会超过水平向地震动峰值加速度[90-91].例如 1979 年美国 Imperial Valley 地震，距离近断层约 10km 左右的 11 个地震动记录中，竖向与水平向地震动峰值加速度比值的平均值达到 1.12,其中最大值高达2.4[92].此外，研究表明竖向和水平向地震动的谱型在许多情况下并不一致，与场地的卓越周期、场地土条件和震源距等因素有关[85, 93-96].

　　鉴于此，国内外学者对竖向地震动下结构响应的研究日益重视。文献[97]对包括桥梁在内的 8 种工程结构进行研究表明，如果不考虑竖向地震动，则会低估工程结构的倒塌风险，在近场地震动中将更为明显。文献[98]以高速公路桥梁为研究对象，表明考虑竖向地震动会增大结构的响应，加大桥梁破坏的风险。文献[99]通过数值模拟和实验结合相结合的方法分析了竖向地震动对混凝土桥墩性能的影响。文献[100]发现近场脉冲型地震动中竖向分量对桥梁结构的影响明显大于近场非脉冲型地震动。文献[101]分析了竖向地震动对桥梁结构地震响应的影响，并考虑了支座摩擦系数、桥墩刚度及地震动输入方向对分析结果的影响。文献[102]分析了竖向地震动对连续刚构桥受力的影响，结果表明竖向与水平向峰值加速度比值越大，桥墩损伤情况越严重。以上研究均表明竖向地震动对结构的影响不容忽视，尤其是近场地震动。

　　1.5 本文主要研究内容

　　本文以连徐高速铁路线中的新沂特大桥为工程背景，采用 OpenSees 软件进行了近场脉冲型地震动下的易损性研究，技术路线如图 1.3 所示。主要研究内容包括：

　　1）高铁连续梁桥动力特性及地震响应分析。首先基于 OpenSees 建立了该桥的空间有限元模型；然后分析并验证了该桥的动力特性；最后根据场地土条件，分别选取了 3条普通远场地震动和 3 条近场脉冲型地震动，对比分析了主梁跨中位移、墩顶顺桥向位移、墩底顺桥向剪力、顺桥向滑动支座位移和顺桥向固定支座位移等在两类地震动下的地震响应，并对主梁跨中顺桥向位移响应进行了功率谱密度分析。

　　2）基于 PCA 的近场脉冲型地震动强度指标选取。首先选取了 100 条近场脉冲型地震动，分别进行了非线性动力时程分析，并记录了桥梁构件在各地震动下的响应峰值。

　　在此基础上，采用 PCA（主成分分析方法）对桥梁构件的地震需求参数进行了降维处理，并计算了桥梁结构的综合地震需求响应。然后通过回归分析建立了地震动强度和桥梁结构综合地震需求之间的概率性关系，从有效性、实用性和充分性三方面对 18 种不同地震动强度指标进行了评价。

　　3）基于易损性方法的高铁连续梁桥最不利地震动输入方向分析。分别采用传统方法和易损性分析方法确定了该桥的最不利地震动输入方向，并将两个方法得到的结果进行了对比。然后在充分考虑桥墩截面各方向抗震能力差异的基础上，将全桥最不利输入方向上的易损性曲线与顺桥向和横桥向最不利输入方向上的易损性曲线进行了对比。

　　4）竖向地震动对高铁连续梁桥易损性的影响分析。首先对所选 100 条近场脉冲型地震动的竖向与水平向峰值加速度比值进行了分析；然后对比分析了不同竖向与水平向峰值加速度比值的固定中墩墩顶位移以及横桥向、顺桥向和最不利截面方向所对应最不利地震动输入方向的易损性曲线。

　　参考文献

　　第二章 高铁连续梁桥动力特性及地震响应分析

　　2.1 引言

　　2.2 工程背景

　　2.3 高铁连续梁桥有限元建模

　　2.3.1 主梁

　　2.3.2 支座

　　2.3.3 桥墩

　　2.3.4 桩基

　　2.4 高铁连续梁桥动力特性分析

　　2.5 高铁连续梁桥地震响应分析

　　2.6 本章小结

　　参考文献

　　第三章 基于 PCA 的近场脉冲型地震动强度指标选取

　　3.1 引言

　　3.2 概率地震需求模型

　　3.3 近场脉冲型地震动的选取

　　3.4 基于 PSDM 的地震动强度指标评价标准

　　3.4.1 地震动强度指标

　　3.4.2 地震动强度指标评价标准

　　3.5 近场脉冲型地震动强度指标选取

　　3.5.1 PCA 基本原理介绍

　　3.5.2 各构件地震需求参数权重的确定

　　3.5.3 地震动强度指标评价

　　3.6 本章小结

　　参考文献

　　第四章 基于易损性方法的高铁桥梁最不利地震动输入方向分析

　　4.1 引言

　　4.2 易损性分析方法

　　4.3 桥墩损伤指标的确定

　　4.3.1 桥墩损伤指标

　　4.3.2 墩底截面弯矩-曲率分析

　　4.4 最不利地震动输入方向分析

　　4.4.1 固定中墩墩顶峰值位移分析

　　4.4.2 固定中墩地震易损性分析

　　4.5 本章小结

　　参考文献

　　第五章 竖向地震动对高铁连续梁桥易损性的影响分析

　　5.1 引言

　　5.2 竖向与水平向峰值加速度比值分析

　　5.3 竖向地震动对固定中墩墩顶位移影响

　　5.4 竖向地震动对高铁连续梁桥易损性的影响

　　5.4.1 LD 方向

　　5.4.2 TD 方向

　　5.4.3 CD 方向

　　5.5 本章小结

　　参考文献

　　第六章 结论与展望

　　6.1 主要研究工作与结论

　　我国地处环太平洋地震带和亚欧地震带之间，一直以来都是全世界内地震动最活跃的地区之一，接近半面国土都在地震高烈度区，许多高速铁路桥梁不可避免的处于近断层中。近些年来，近场地震动对工程结构造成的大量破坏引起了学者的广泛关注，但我国目前针对近场地震动的结构抗震设计与评估理论体系尚未形成，已有研究中考虑速度脉冲及竖向地震动等影响因素的较少。我国高速铁路建设正处于快速发展期，近场地震动作用下高速铁路桥梁抗震设计及安全性评估已成为必须考虑的内容。目前我国基于地震易损性方法进行桥梁结构地震风险评估的研究较为缺乏，而且研究对象主要针对公路桥梁。因此，有必要针对高速铁路典型桥梁地震易损性做进一步的研究。为此，本文以连徐高速铁路线中的新沂特大桥为工程背景，采用 OpenSees 软件进行了近场脉冲型地震动下的地震易损性研究。研究内容主要涉及高铁连续梁桥动力特性及地震响应分析、基于 PCA 的近场脉冲型地震动强度指标选取、基于易损性方法的高铁桥梁最不利地震动输入方向分析、竖向地震动对高铁连续梁桥易损性的影响分析等四个方面。研究结果可为高铁连续梁桥的地震风险评估及抗震加固设计提供参考。本文的主要研究工作与结论具体包括：

　　1）高铁连续梁桥动力特性及地震响应分析。首先基于 OpenSees 建立了该桥的空间有限元模型；然后分析并验证了该桥的动力特性；最后根据场地土条件，分别选取了 3条普通远场地震动和 3 条近场脉冲型地震动，对比分析了主梁跨中位移、墩顶顺桥向位移、墩底顺桥向剪力、顺桥向滑动支座位移和顺桥向固定支座位移等在两类地震动下的地震响应，并对主梁跨中顺桥向位移响应进行了功率谱密度分析。所得主要结论包括：

　　OpenSees、ANSYS 和 Midas Civil 所建桥梁模型的前五阶振型一致，各阶周期误差最大仅为 1.26%,模型的正确性得到了有效验证；同一地震动下，两边墩（1#墩和 4#墩）的地震响应基本一致，2#固定中墩的地震响应明显大于 3#非固定中墩。2#固定中墩墩顶顺桥向位移、顺桥向滑动支座位移和主梁跨中顺桥向位移三者基本一致。近场脉冲型地震动作用下桥梁主要构件的地震响应明显大于普通远场地震动。

　　2）基于 PCA 的近场脉冲型地震动强度指标选取。首先选取了 100 条近场脉冲型地震动对所建的该桥有限元模型进行了非线性动力时程分析。然后，采用 PCA（主成分分析方法）对所选桥梁构件的地震需求参数进行了降维处理，得到了桥梁结构的综合地震需求响应。最后通过线性回归建立了综合地震需求参数和地震动强度的概率地震需求模型，从有效性、实用性和充分性三方面对 18 种不同地震动强度指标进行了评价。所得主要结论包括：采用 PCA 对桥梁结构不同构件的地震需求响应参数进行降维处理，不仅可以有效减小工作量，同时还可以得到桥梁结构的最优地震动强度参数；由于近场脉冲型地震动具有明显的脉冲效应，速度相关的地震动强度指标有效性和实用性相对指标较好；VSI 在有效性、实用性和充分性评价结果中均是最优的。

　　3）基于易损性方法的高铁连续梁桥最不利地震动输入方向分析。分别采用传统方法和易损性分析方法确定了该桥的最不利地震动输入方向，并将两个方法得到的结果进行了对比。然后在充分考虑桥墩截面各方向抗震能力差异的基础上，将全桥最不利输入方向上的易损性曲线与顺桥向和横桥向最不利输入方向上的易损性曲线进行了对比。所得主要结论包括：任意水平双向地震动输入方向下，固定中墩墩顶峰值位移均在顺桥向取得最大值，在横桥向取得最小值；以墩顶峰值位移为指标得到的顺桥向和横桥向最不利地震动输入方向和通过易损性得到的结果一致，分别为 160°和 50°，但两者的易损性曲线则相差甚大，说明如果仅考虑顺桥向和横桥向在其最不利地震动输入方向的易损性，则会严重低估桥梁的破坏概率；考虑桥墩各方向抗震能力的差异后，最不利的截面方向不再是顺桥向，最不利截面方向发生各破坏状态的概率大于顺桥向和横桥向。

　　4）竖向地震动对高铁连续梁桥易损性的影响分析。首先对所选 100 条近场脉冲型地震动的竖向与水平向峰值加速度比值进行了分析；然后对比分析了不同竖向与水平向峰值加速度比值的固定中墩墩顶位移以及横桥向、顺桥向和最不利截面方向所对应最不利地震动输入方向的易损性曲线。所得主要结论包括：固定中墩墩顶位移随着竖向与水平向地震动峰值加速度比值的增大而增大，但顺桥向的增幅远大于横桥向；考虑竖向地震动后，顺桥向和最不利截面方向达到四种破坏状态的概率增大，且竖向与水平向地震动峰值加速度比值越大，相应的破坏概率越大；横桥向破坏的概率基本不受竖向地震动的影响；竖向地震动不影响顺桥向、横桥向和最不利截面方向的最不利地震动输入方向，但顺桥向和最不利截面方向在最不利地震动输入方向下达到各种破坏状态的概率随着竖向与水平向地震动峰值加速度比值的增大而增大，横桥向影响较小。

　　6.2 研究工作展望

　　本文在近场脉冲型地震作用下高铁连续梁桥易损性方面开展了一些研究工作，但限于作者水平及研究时间，研究工作尚不够深入与全面，在以下几个方面仍需进一步深入研究：

　　1）考虑轨道系统的高铁连续梁桥精细化建模。本文在建立高铁连续梁桥有限元模型时，考虑到地震作用下轨道系统对桥的约束作用较小，且易损性分析的计算量较大，故选择忽略轨道系统，以在保证合理性的基础上提高研究效率。但可建立考虑轨道系统的精细化模型来进一步分析轨道系统的地震易损性。

　　2）材料性能不确定性及性能劣化。结构易损性作为一种概率地震风险评估方法，能够在一定程度上考虑地震动的不确定性是其优势之一。但材料性能也存在一定不确定性，如钢筋的屈服强度，混凝土的抗压强度等，且这些材料性能是随着时间而变化的，在进行地震易损性分析时可进一步考虑这个问题。

　　3）高铁连续梁桥系统地震易损性研究。本文主要以高铁连续梁桥在地震作用下最易损构件的固定中墩为对象展开研究，而实际上，桥梁作为一个复杂的系统工程，在地震作用下的失效概率性往往要大于任何单个构件的失效概率。因此，可在考虑各构件相关性的基础上进一步开展高铁连续梁桥的系统地震易损性研究。

　　4）桥梁参数对高铁连续梁桥地震易损性影响研究。本文是以一座典型（48+80+48）m跨预应力混凝土高铁连续梁桥为对象展开研究，而实际上，每座桥的墩高、跨度等参数基本是不同的。因此，可进一步分析墩高、跨度等参数对其地震易损性的影响，从而提高实际指导意义。

致 谢

　　硕士三载，倏忽而逝，已然到了离别之际。再回首，往事依旧。三年里，收获了知 识与欢乐，也经历了挫折与坎坷。值此毕业之际，谨向所有帮助、关怀和支持过我的师 长、亲人和朋友们致以最诚挚的谢意！

　　首先，我要感谢导师王浩教授，本文是在王老师的悉心指导下完成的。从论文的选 题、开题到论文的撰写及修改、直至最后的定稿，都倾注了王老师大量的精力与汗水。

　　王老师不仅在学术上给予我细致的指导，还在生活中给予我诸多的关心和帮助。王老师在科研上的严谨、工作上的勤勉和为人处事上的低调谦逊将使我终身受益。感谢王老师的谆谆教诲，能成为王老师的学生使我倍感荣幸。涓涓师恩，情深意切，铭记于心，只愿师生情谊一生延续。

　　非常感谢陶天友老师，您在课题组组会上醍醐灌顶的指点使我受益匪浅，您严谨求 实的科研态度是我们学习的榜样。特别感谢郑文智师兄在本文撰写中提供的极大帮助，以及三年来在生活上给予的支持和鼓励。感谢梁瑞军师兄和沙奔师兄对本论文提出的宝 贵建议。感谢同门高宇琦、赵亚宁三年来的互帮互助，风雨兼程，携手向前。感谢茅建校、祝青鑫、张一鸣、徐梓栋、荀智翔、张玉平、邹仲钦、姚程渊、郜辉、郎天翼、倪有豪、何祥平、柳家为、卫俊岭、畅翔宇、张寒、石棚、杨朝勇、贾怀喆、赵恺雍、徐寅飞等师兄弟多年来的关心与照顾，能和你们相识在龙虎潭这个温暖的大家庭，是我一生宝贵的财富，我的研究生生涯因你们而更加丰富多彩，谢谢你们给我留下那么多美好的瞬间。

　　感谢厉勇辉、卢干、刘一荻、沈文煜、周勇、蒋晓放、杨超宇、钱凯瑞等 418 教研室的伙伴们，与你们朝夕相处，共同成长是那么的快乐而美好。衷心祝愿你们前程似锦、鹏程万里。

　　感谢爸妈二十多年来默默的付出与支持，您们的鞭策与鼓励是我前进的动力源泉，您们永远是我坚强的后盾。感谢姐姐、姐夫一直以来的关心与支持，感谢徐笑阳小朋友给我们带来的欢乐。

　　最后，由衷感谢在百忙之中参与评阅论文和参加答辩的各位专家！

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