1、第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023高速铁路梁桥建模参数敏感性分析胡章亮1,2，魏标1,2，蒋丽忠1,2，李姗姗1,2(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.高速铁路建造技术国家工程研究中心，湖南 长沙 410075)摘要：平衡模型建立效率和确保模型计算结果的准确性一直以来都是高速铁路梁桥概率地震需求分析所面临的挑战。鉴此，首先，以典型高速铁路简支梁桥和连续梁桥为工程背景，罗列建模相关不确定性参数及其概率
2、分布；其次，采用分式析因设计方法，基于OpenSees建立的有限元模型生成了32组考虑15种建模不确定性参数的计算工况；最后，通过方差分析得到的p值确定不同建模参数对构件地震响应的影响程度，从而筛选出高速铁路梁桥建模时需考虑的重要参数。分析结果表明：不同构件地震响应对建模参数的敏感性差异明显，但地震波加载方向、支座摩擦因数、混凝土密度和结构阻尼比这4个建模参数以及混凝土弹性模量和混凝土抗压强度的交互作用均显著影响2种梁桥的地震响应，在进行高速铁路梁桥概率地震需求分析时不可忽略；简支梁桥和连续梁桥在建模时还应分别关注滑动层初始刚度和桩基础平动刚度的不确定性。在高速铁路梁桥概率地震需求分析中考虑重
3、要建模参数的不确定性，可以在确保构件地震响应预测准确的同时提升建模效率。关键词：高速铁路梁桥；建模参数；分式析因设计；地震响应；方差分析；概率地震需求分析中图分类号：U24 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0393-12Sensitivity analysis of modeling parameters of high-speed railway girder bridgesHU Zhangliang1,2,WEI Biao1,2,JIANG Lizhong1,2,LI Shanshan1,2(1.School of Civ
4、il Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.National Engineering Research Center of High-speed Railway Construction Technology,Changsha 410075,China)Abstract:Balancing the efficiency of simulation and ensuring the accuracy of model calculation results has always been a challenge
5、for probabilistic seismic demand analysis(PSDA)of high-speed railway girder bridges(HRGBs).Therefore,by taking the typical high-speed railway simply supported girder bridge and continuous girder bridge as the engineering background,the uncertain parameters and their probability distribution related
6、to the modeling were collected.Subsequently,based on the finite element model established by OpenSees,32 groups of calculation cases considering 15 modeling uncertainty parameters were generated by employing the fractional factorial design method.The influence of different modeling parameters on the
7、 seismic response of components was then determined through the p value in terms of variance analysis.The results indicate that the sensitivity of different component responses to modeling parameters is obviously different,with the four 收稿日期：2022-02-24基金项目：国家自然科学基金资助项目(51778635，U1934207，51978667)通信作
8、者：魏标(1982)，男，江苏铜山人，教授，博士，从事桥梁抗震研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220316铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月parameters,including the inducing direction of ground motions,the friction coefficient of bearings,concrete density and structural damping ratio,as well as the interaction of concrete elastic modulus
9、 and concrete compressive strength,all significantly affecting the seismic responses and thus not being able to be ignored in the PSDA of HRGBs.Additionally,the uncertainties of the initial stiffness of the sliding layers and the translational stiffness of the pile foundation should also be paid att
10、ention to in the modeling of the simply supported girder bridges and the continuous girder bridges.Considering the uncertainty of important modeling parameters in the PSDA of HRGBs can not only ensure the accuracy of seismic response prediction,but also improve the modeling efficiency.Key words:high
11、-speed railway girder bridge(HRGB);modeling parameters;fractional factorial design;seismic response;variance analysis;probabilistic seismic demand analysis(PSDA)建立动力有限元模型是获得桥梁结构地震响应、计算构件损伤概率和评估结构抗震性能的重要手段。由于结构材料、几何尺寸以及边界条件存在固有的随机性，导致桥梁模型也不再是确定的。因此，必须在桥梁模型特别是进行概率地震需求分析模型中，指出影响构件地震响应的不确定性建模参数。已有研究评估了桥
12、梁模型中各种不确定性对构件地震响应的敏感性。NIELSON1针对混凝土简支梁桥、简支钢桥、多跨混凝土连续梁桥和连续钢桥，通过因素筛选试验考虑了15种建模不确定性因素的影响。PADGETT等2在此基础上通过分式析因设计确定了显著影响加固改造公路梁桥地震响应的建模重要参数以及减震装置参数。吴文朋3将建模不确定性参数细化为结构、材料和边界层次，考虑了26种不确定性参数建立了一座430 m公路连续梁桥有限元模型，通过基于条带法的敏感性分析方法筛选出13种重要不确定性参数。于晓辉等4结合一次二阶矩法和增量动力分析方法，发现不确定性参数对混凝土框架结构抗倒塌能力的对数标准差有放大效应。宋帅5采用Torna
13、do图进行了建模随机参数对一座三跨简支T梁响应影响的重要性识别，PORTER等6也运用该法开展建筑结构易损性和损失估计敏感性分析。JIANG等7在建立高速铁路连续梁桥时考虑了8种桥梁结构建模参数，评估了桥墩与支座的损伤。魏标等8研究了高速铁路桥梁数值模型精细化程度对结构损伤概率的影响。然而，上述不确定建模参数的研究主要依托于公路梁桥或建筑结构，仍然缺乏建模重要性参数对高速铁路梁桥影响的全面理解。概率地震需求分析中的高速铁路桥梁动力计算有限元模型涉及到诸多不确定性参数，悉数考虑所有不确定性参数使得建模过程极为繁杂，而且所有不确定性参数对计算结果的贡献不一，因此识别出重要建模参数，实现有效建模的同
14、时确保模型计算结果的精确度显得尤为必要。因此，本文首先以高速铁路梁桥中的简支梁桥和连续梁桥为例，基于OpenSees平台分别建立动力计算有限元模型；其次，统计相关建模不确定性参数的分布规律，采用两水平分式析因设计将不确定性参数融入有限元模型中；最后，通过方差分析筛选出显著影响高速铁路梁桥地震响应的建模参数，并评估建模参数不确定性在PSDA中的传递性。1 算例桥梁1.1布局及模型选择CRTS型高速铁路无砟轨道板的332 m双线简支梁桥和48 m+80 m+48 m双线连续梁桥为工程背景，如图1所示。主梁采用单箱单室的C50混凝土截面，上铺设C30混凝土底座板和C55混凝土轨道板；主梁与底座板间填
15、充两布一膜的滑动层材料，底座板与轨道板之间通过 CA 砂浆层连接，WJ-8C型扣件固定于轨道板上并约束CHN60型钢轨。简支梁桥布置13.5 m高矩形桥墩，通过12根直径1.2 m的圆形桩构成群桩基础支撑。矩形截面的连续梁桥墩高13 m，边墩群桩基础为16根1.5 m 直径的圆形桩，中墩群桩基础由 20 根直径1.5 m的圆形桩构成。2种桥型均布置球型钢支座，连续梁桥2号墩顶设置纵向固定支座。基于 OpenSees 建立 2 种高速铁路梁桥的动力计算有限元模型，见图1。采用弹性梁柱单元模拟主梁、底座板、轨道板和钢轨；轨道间的连接件394第 2 期胡章亮，等：高速铁路梁桥建模参数敏感性分析如滑动
16、层、CA层和扣件以及支座采用零长度单元模拟，其力学参数见表 1911。桥墩采用非线性梁柱单元模拟，3个平动和转动弹簧用来反映桩与土之间的相互作用。1.2地震动输入地震波包含峰值、频谱和持时三要素，每一要素均影响结构在地震作用下的响应。即使具有相同地面峰值加速度的地震波，也会因频谱和持时的差异导致计算结果迥异，更何况是来源不同场地记录的地震波。为避免由于地震波的随机性(a)332 m简支梁桥；(b)48 m+80 m+48 m连续梁桥图1高速铁路梁桥示意图Fig.1Schematic diagram of HRGB表1轨道连接件力学参数Table 1Mechanical parameters of track connecting components力位移关系构件固定支座滑动支座滑动层CA 砂浆层扣件纵向扣件横向屈服力(Fy)/kN5 000470641.521575屈服位移(dy)/mm220.50.522395铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月增加问题分析的复杂程度，依据土层剪切波速从PEER强震数据库中选择4类场地共12条实际地震波：震级M范围为5.907.28
