1、收稿日期:20220313基金项目:国家自然科学基金面上项目(52079128);河南省科技攻关项目(182102210013，212102310289)作者简介:钱玉林(1997)，男，河南新密人，硕士研究生，研究方向为水工结构抗震通信作者:徐建国(1965)，男，河南孟津人，教授，博士，研究方向为结构动力计算与抗震E-mail:1849072528 qqcom【水利水电工程】大型双槽渡槽结构地震易损性分析钱玉林1，徐一鸣2，张春宇1，徐建国1，张金鹏3，刘雪敏1(1郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001;2机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州 450001;3河南濮泽
2、高速公路有限公司，河南 濮阳 457000)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
3、类号:TV6723;TV312文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307027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):147151Analysis of Seismic Fragility of Large Aqueduct StructuresQIAN Yulin1，XU Yiming2，ZHANG Chunyu1，XU Jianguo1，ZHANG Jinpeng3，LIU Xuemin1(1College of Water Science and Engineering，Zhengzhou U
4、niversity，Zhengzhou 450001，China;2SIPP Engineering Group Co，Ltd，Zhengzhou 450001，China;3Henan Puze ExpresswayCo，Ltd，Puyang 457000，China)Abstract:In order to evaluate the seismic performance of a large reinforced concrete aqueduct structure，a three-span double-slot aqueduct ofthe Middle oute Project
5、of South-to-North Water Transfer was used as an example to establish a finite element model of the aqueduct struc-ture based on the fiber beam element in the OpenSees platform，and a nonlinear dynamic time analysis of the aqueduct structure was per-formed by the incremental dynamic analysis method co
6、nsidering the different water level conditions in the aqueduct and the randomness ofseismic waves The peak seismic response of each fragile component was obtained and the traditional probabilistic seismic demand analysismethod was used to perform linear regression analysis on the analysis data to ob
7、tain the seismic fragility curve of the structural components ofthe aqueduct The results of the study show that the change of water level in the trough has a greater influence to the seismic response of theaqueduct structure，and the calculation of damage exceedance probability carried out on the tro
8、ugh pier and support shows that the damageexceedance probability of each member grows at the fastest rate under the full trough conditionKey words:double trough aqueduct;seismic response;seismic fragility analysis;seismic performance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
9、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13。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。oy 等4 基于传统 ParkAng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
10、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741第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45，No72023 年 7 月YELLOWIVEJul，2023三维地震易损性分析，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
11、性能的影响。1渡槽概况与有限元模型11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 500 m、槽深 425 m，100 a 一遇设计流量为64 m3/s，设计水深为 221 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 1040 m、直径 12 m，每个槽墩设置纵向钢筋 1016，箍筋 8 200，保护层厚度为006 m，设盖梁和联系梁，设计混凝土密度为 2 500 kg/m3，泊松比为 02。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。图 1渡槽立面
12、结构示意(单位:cm)图 2渡槽横截面示意(单位:cm)12有限元模型121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，不考虑桩基和土体对渡槽结构的作用。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
13、服力 Fy和屈服位移 dy分别为 109107N 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 61106Pa。图 3渡槽结构有限元模型(a)槽墩截面(b)联系梁截面(c)盖梁截面(d)槽体截面图 4渡槽各构件截面纤维梁单元模型图 5支座恢复力模型图 6接触单元模型841人 民 黄 河2023 年第 7 期122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
14、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，c和t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GiuffreMenegottoPinto 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y和y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。图 7ConcreteD 混凝土本构
15、模型 图 8Steel02 钢筋本构模型2渡槽损伤指标的确定及量化21槽墩损伤指标对于渡槽结构，槽墩顶部的位移或槽墩延性是定义墩柱损伤水平的重要指标。槽墩的位移延性可以反映槽墩的损伤状态，而且较为容易获得，因此本文采用位移延性比作为渡槽结构的损伤指标，其计算公式为d=cy1(1)式中:d为槽墩的位移延性比，为槽墩顶部最大位移值，cy1为槽墩底部钢筋首次达到屈服时墩顶位移。根据 Hwang 等11 提出的位移延性比理论，将槽墩的损伤状态分为 5 类，槽墩各类损伤状态的判别指标见表 1。表 1槽墩及支座各损伤状态判别指标损伤状态槽墩损伤指标支座损伤指标无损伤d cy1170 mm轻微损伤cy1 d
16、 cy70 mm1105 mm中等损伤cy d c4105 mm1140 mm严重损伤c4 d cmax140 mm1175 mm完全破坏cmax d1175 mm注:cy1为钢筋首次达到屈服应变时的位移延性比;cy为槽墩截面达到等效屈服时的位移延性比;c4为槽墩混凝土压应变为 0004 时的位移延性比;cmax为槽墩完全破坏时的位移延性比;1为支座水平剪切位移。在槽墩的损伤指标确定时，首先对其进行截面弯矩曲率分析，得到槽墩损伤指标的计算参数 y1、y1、c4、u，分别为槽墩受拉钢筋首次屈服曲率、等效屈服曲率、槽墩混凝土压应变为 0004 时的曲率、极限曲率，然后根据文献 12 计算槽墩在不同破坏状态下的损伤指标界限值cy1、cy、cy4、cmax，见表 2。表 2槽墩顺槽向损伤指标渡槽水位损伤指标计算参数y1y1c4u损伤指标界限值cy1cyc4cmax空槽0003 65 0004 26 0007 20 0048 6511166 1282 4282半槽0002 44 0003 28 0008 45 0036 2011294 1517 4517四分之三槽0002 18 0003 02
