Damage Analysis of Girder Bridge Under Near-fault Pulse-like Earthquake Motion Considering Wave Propagation Effect
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摘要: 在近断层地震动激励的初始阶段，输入地震动从结构底部以波动形式向上传播，然而波动效应对近断层脉冲型地震动作用下梁桥结构地震破坏过程的影响特征尚不明确。为此，利用数值分析方法对某三跨梁桥在近断层脉冲型地震动作用下考虑波动效应的破坏过程、破坏机理开展研究。研究结果表明，在近断层脉冲型地震动作用下，墩柱底部截面曲率发展较合理，梁桥墩顶支座抗震能力较强，梁桥桥台处容许剪切位移是桥梁结构的抗震弱点，因此，在近断层地区的梁桥桥台抗震措施设计中应保证具有充足的容许剪切位移。Abstract: During the initial phase of near-fault seismic excitation, the input ground motion propagates inside the structure from bottom to top in the form of waves, but the influence of the wave propagation effect on the seismic damage process of girder bridge structures under the action of near-fault pulse-type ground motion is not clear. In this paper, numerical analysis method is utilized to study the failure process and failure mechanism of a three-span girder bridge under the action of near-fault pulse-type earthquake considering the wave propagation effect. The results show that the development of the curvature of the bridge pier section is reasonable enough during the seismic excitation process. The bearing at the pier top shows great aseismic capability, the allowable shear displacement of the abutment is the weak point of the whole girder bridge system. Thus, it is important to guarantee a reasonable allowable shear displacement for the abutment of girder bridges located in the near-fault region. Our results provide a reference value for the seismic design of girder bridges in near-fault regions.
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引言
地震是对人类生存安全危害最大的自然灾害之一。我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地质构造复杂，地震活动频繁，地震灾害非常严重(徐敬海等，2015；杨天青等，2016；魏本勇等，2017)。党的十八大提出了新型城镇化战略，我国城镇化水平快速提高，地震灾害高风险区域城镇数量不断增加，加剧了城镇地震灾害的风险。市县地震部门行使着防震减灾行政管理和公共服务的职能(蔡宗文等，2009)，既是政府面向社会、联系群众的桥梁和窗口，又是把地震科学成果转变成政府决策意识、协助政府组织协调社会各方面力量，做好防震减灾工作的纽带(李平，2009；吴微微，2011)。在城镇防震减灾工作管理体系中，市县地震部门处于最基础和最关键的地位。然而，市县地震部门在推进防震减灾工作中面临着公共服务科技含量不高、工作手段缺乏、基础数据缺乏等一系列难题。
目前，国内已建成了一部分针对市县防震减灾工作部门业务需求的技术系统，并在不同的地区进行了推广应用。由福建省地震局建设的市县防震减灾信息化管理系统实现了市县地震系统的地震监测管理、地震应急管理以及三网一员人员管理等功能，提升了市县地震工作的管理效率(蔡宗文等，2009)。广西地震局依托市县地震应急指挥中心项目，对全区市县防震减灾技术系统建设进行了探索和试验，实现了省级区域中心和各地级市、市县应急指挥中心三级互通。四川省地震局结合市县政府及防震减灾工作部门的实际需求，通过推动市县防震减灾综合能力建设，建成了市县防震减灾综合信息服务系统，实现了震害评估、应急辅助决策、测震信息共享和办公自动化等功能(吴微微，2011)。自2010年12月第一批次成功在四川省12个市县部署应用开始，截至目前，已经在全省80余个市县完成了应用部署。经过多年的实际应用发现，目前已建的市县防震减灾信息系统普遍存在缺乏灾害风险评估、基础数据更新困难、应急系统所用的模型和方法针对性不强等问题。
本文立足于国家新型城镇化建设，总结市县防震减灾综合信息服务系统存在的问题和不足，对防震减灾相关领域最新科学研究与科学工程建设成果进行继承、发展与应用，针对城镇地震防灾与应急处置的关键环节和薄弱部位，研究针对性强、操作简便的城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统。为市县地震部门平时的震害防御、防震减灾科普宣传、应急准备以及震时应急响应和震后应急处置提供重要依据和工具手段，以达到提升市县防震减灾工作的科技含量，丰富工作手段，提高工作实效，实现以人为本，为公众服务，为社会服务，达到最大限度减轻地震灾害、为城镇化建设营造安全的抗震环境的目的。
1. 研究目标
城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统研究目标是基于较为成熟的科研成果，在结合城镇地震防灾与应急处置特点进行方法与技术研究的基础上，进行集成创新。以市县当地地震危险性、地震灾害承灾体、地震脆弱性等数据为基础，将抗震设防管理、地震灾害风险评估、地震灾情评估、地震应急处置、防震抗震知识宣传、民众应急疏散演练等功能有机地集成到一起，做到“平震结合”。平时应用于市县抗震设防管理与服务、地震灾害风险评估、防震抗震知识科普宣传、地震应急演练等防震减灾日常工作中，震时应用于地震应急响应和处置工作，为市县防震减灾部门平时震害防御和震时地震应急提供丰富有力的工具包和抓手，全面提高市县防震减灾能力。
系统应用目标和场景设计如图 1所示。
平时，利用承灾体数据采集器进行承灾体数据的采集，通过数据库更新工具实现震害防御和地震应急业务系统基础数据的更新。通过地震灾害风险动态评估系统产出市县地震灾害风险动态评估结果以及针对薄弱环节的对策建议(和飞等，2002；唐丽华等，2016)，为城镇震害防御提供方向和对策，为城镇规划和农居工程提供抗震设防信息服务，为防震减灾一体化综合查询系统提供抗震设防数据支持，从而提高市县防震减灾部门震害防御工作能力和服务能力。基于防震减灾科普知识库，实现面向社会公众的防震减灾科普知识查询；应用地震应急疏散训练器在中小学开展地震逃生疏散演练，为学校及其他人员密集场所的紧急疏散训练提供技术手段与方法，提高学校及其他人员密集场所应急疏散能力；应用地震应急疏散训练移动APP，开展面向社会公众的防震减灾科普知识和自救互救技能宣传教育，从而丰富市县防震减灾部门科普宣传手段，提高防震减灾科普宣传能力。
发生破坏性地震后，城镇地震应急技术系统将自动触发，进入应急状态，进行地震灾害损失快速评估，给出基于理论模型的地震灾害损失评估结果。同时，基于布设的MEMS强震仪，将快速获取到的地震动参数及应用短距离应急通信的地震灾情采集设备采集到的实际灾情信息用于准实时灾情综合评估，提高地震灾害损失评估的准确性。城镇地震应急处置辅助决策系统将产出基于灾情信息的应急处置要点建议，为市县政府应急处置提供指导，并指导城镇地震灾害被困人员侦察系统作业，探查和估算重点区域被困人员的分布，为被困人员的搜救提供基础数据信息。基于上述灾情信息和评估结果，系统将生成一系列地震应急专题图，产出针对性的应急处置方案，形成一系列灾情简报和辅助决策文档，为城镇地震应急工作提供全面的信息支持和辅助决策建议。根据地震应急工作关键时间节点、应急业务工作流程和应急预案，针对政府、社会公众等不同的地震应急信息受众，在不同的时间节点主动推送不同层次的地震应急信息服务内容。另外，通过城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统平时在应急准备和防震减灾科谱宣传方面技术手段的应用，在外界救援力量未进入救灾现场的情况下，城镇受灾地区群众能够熟练进行自救互救，有效减轻人员伤亡。
2. 系统总体架构
城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统总体架构如图 2所示。系统主要由基础设施层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层、应用终端、信息安全保障、运行维护和标准规范体系组成。
(1) 基础设施层
基础设施层包括服务器、数据中心、网络、安全、存储设备以及MEMS强震仪、基于短距离应急通信的地震灾情采集设备和地震灾害被困人员侦查设备等硬件设施。
(2) 数据资源层
数据资源层涵盖了城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统运行所需的数据资源，主要包括地震危险性模型库、地震风险评估基础数据库、防震减灾知识库、应急基础数据库和抗震设防基础数据库。
(3) 应用支撑层
应用支撑层为城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统提供通信网、短信收发平台、ESB系统总线、语音群呼平台、报表工具、中间件、操作系统和GIS系统平台等支撑系统运行的软硬件设备。
(4) 业务应用层
业务应用层集成了城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统的业务管理、数据管理和内部管控子系统。其中，业务管理系统包括城镇抗震设防服务系统、城镇地震应急技术系统、防震减灾一体化综合查询系统及地震灾害风险动态评估系统；数据管理系统实现地震基础数据管理，并提供元数据管理等数据管理工具；内部管控主要进行系统用户管理、安全管理、系统运行监控和自动安装升级等管理。
(5) 应用终端
城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统建成后，政府、社会公众等可通过PC、移动设备等应用终端获取所需服务。
(6) 信息安全保障、运行维护和标准规范体系
通过信息安全保障体系、标准规范体系和运行维护体系保障城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统的有效运行。
3. 系统功能设计
城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统可以分为城镇地震灾害风险动态评估子系统、城镇地震应急技术子系统、城镇抗震设防服务子系统、城镇一体化综合查询子系统和数据管理子系统，软件功能组成如图 3所示。
(1) 城镇地震灾害风险动态评估子系统
城镇地震灾害风险动态评估子系统采用模块化的研发方式，根据功能可以划分为地震危险性分析、设定地震、结构脆弱性模型、建筑震害分析、人员伤亡、经济损失、区域防震减灾能力评价等一系列通用的功能模块，以功能模块为单位进行系统设计和开发，形成多个具有特定功能、互相独立的工具包；多模块可灵活组合调用、满足不同规模用户需求。
(2) 城镇地震应急技术子系统
城镇地震应急技术子系统包括准实时地震灾情动态综合评估模块、地震灾害损失评估模块、灾情快速获取与评估模块、城镇地震应急处置辅助决策模块、地震应急专题图模块和地震应急信息发布模块。准实时地震灾情动态综合评估模块基于MEMS强震仪获得的地震动分布图，结合灾区结构脆弱性曲线，再叠加基于短距离无线通信技术的地震灾情采集器采集的灾情数据，应用统计分析、模糊数学、运筹学、拓扑分析以及理论和经验模型近似估计等算法，利用离散灾情点实现对灾情预测图的动态修正，得到灾情准实时综合评估结果。地震灾害损失评估模块包括快速评估、动态评估、评估查询和灾情文档生成，实现通过手动输入三要素和监听EQIM平台的地震事件三要素自动触发地震灾害损失评估，包括灾区范围分布、人员伤亡和经济损失评估等，并能够根据获取的最新灾情信息进行动态评估，修正评估结果。城镇地震应急处置辅助决策模块能自动构建多因素控制的城镇地震灾害应急处置流程，通过自动化流程执行，在地震发生后的不同时间节点上引导城镇地震应急处置工作。地震应急专题图制图模块实现地震应急专题图的快速制图和出图，为地震应急各阶段的工作提供各类专题图。地震应急信息发布模块根据地震应急工作关键时间节点、应急业务工作流程和应急预案，针对不同的地震应急信息受众在不同的时间节点主动推送不同层次的地震应急信息服务内容，从而提高地震应急信息发布和服务的时效性和针对性。
(3) 城镇抗震设防服务子系统
城镇抗震设防服务子系统包括抗震设防监管、农居工程服务、城镇规划和抗震设防宣传等模块。抗震设防监管实现城镇一般工程和重大工程抗震设防监管的信息化和规范化。农居工程服务模块提供农居地震安全技术信息服务，为目标区农村民居地震安全工程提出对策与措施建议。城镇规划模块为目标区城镇规划提供防震减灾规划和对策。抗震设防宣传模块面向基层、企业、学校、社区等受众开展抗震设防知识宣传，提供建筑物抗震设防知识、抗震设防法律法规、抗震设防宣传片等。
(4) 防震减灾一体化综合查询子系统
防震减灾一体化综合查询子系统包括抗震设防信息查询、地震应急信息查询和防震减灾科普知识查询模块。抗震设防信息查询提供目标区内各类工程、公用建筑和房屋抗震设防信息以及目标区内地震危险性分析结果查询。地震应急信息查询平时提供目标区域内历史地震、疏散场地、学校疏散避险能力、建筑结构脆弱性曲线等应急准备信息的查询，震时提供震情、灾情、地震应急救援动态信息的查询。防震减灾科普知识查询提供地震基本知识、政府的综合防御措施、应急预案、各种防震避震和自救互救常识、灾害保险知识等，增强群众的防震减灾意识。
(5) 数据管理子系统
数据管理子系统包括数据更新、数据校验、数据编辑、知识管理等模块。数据更新和编辑包扩空间数据和属性数据的更新与编辑，数据校验完成数据入库和更新时的数据检查。知识管理提供各类防震减灾科普知识的管理。
4. 系统实现
本系统将平时震害防御和震时地震应急有机集成到一起，实现了平震结合，体现了一体化的特点。同时，系统还具备模块化的优势。各子系统或模块既可集成一体，也可拆分成独立的服务模块或工具包，服务模块或工具包可“插拔”，可自由组合，形成多模块可任意组合调用、满足不同用户需求的城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统，根据实际需求进行灵活配置，开展防震减灾科普宣传、应急方案生成、应急疏散演练等工作。由于服务模块和工具包众多，系统采了B/S和C/S混合的架构，系统开发工具为VS2012，数据库采用SQL Server2012，GIS平台软件为ArcGis10.4。通过系统集成与管理平台实现各子系统的集成。各子系统间通过消息推送来相互连接。以国家可持续发展试验区四川省眉山市丹棱县为例，下文将对系统成果进行介绍。
4.1 地震灾害风险动态评估
地震灾害风险动态评估的主要实现功能包括地震危险性分析、承灾体数据动态更新、基于房屋建筑脆弱性的县域抗震能力评估和地震灾害风险评估。地震危险性分析给出县域地震活动性分析、设定地震地震动分布等地震危险性分析结果，如图 4所示，对县域可能遭受到的地震影响程度作出科学评价。基于房屋建筑脆弱性的县域抗震能力评估，直观给出县域防震减灾能力空间分布，如图 5所示。承灾体数据动态更新利用承灾体基础数据采集APP为承灾体基础数据采集提供工具，实现承灾体基础数据动态更新。地震灾害风险评估基于危险性分析结果和承灾体基础数据，可以给出以乡镇、村、单栋建筑为单位的地震灾害风险评估结果，为地震灾害风险隐患点排查和治理提供依据。
图 5 丹棱县房屋抗震能力评估Figure 5. Evaluation of anti-seismic capacity of buildings in Danleng County
图 6 丹棱县地震灾害综合风险评估Figure 6. Comprehensive hazard assessment of earthquake disaster in Danleng County4.2 地震应急技术子系统
地震应急技术子系统实现的主要功能包括地震快速触发、灾情快速获取、灾情快速评估、应急辅助决策、应急专题图快速制图和应急信息发布。应急状态下，系统自动触发，在2分钟内完成第一次灾害损失快速评估，包括建筑物破坏、人员伤亡数量及分布、经济损失等，为应急响应和应急处置提供数据支持。基于MEMS强震仪获取的仪器烈度，在震后10分钟内快速得到地震动影响场，对灾情评估进行初次修正。随后随着灾情信息获取量的增加，动态修正灾情评估结果。并在应急处置的各阶段，根据灾情评估结果给出针对性的应急处置建议。部分界面和产品如图 8、9所示。
4.3 抗震设防服务子系统
城镇抗震设防服务子系统实现的主要功能包括抗震设防监管、农居工程服务、城镇规划和抗震设防宣传。实现了抗震设防监管的信息化和规范化；可以提供地震动参数区划工作图，为各地区、各类农村民居和公用设施建设提供科学准确的抗震设防要求标准，提供村镇地震活动断层避让分布简表，作为农居及基础设施建设的选址依据；依据城镇地震灾害承灾体脆弱性分析、地震危险性分析、地震环境特征分析结果，为目标区城镇规划提供防震减灾规划和对策；提供建筑物抗震设防知识、抗震设防法律法规、抗震设防宣传片等面向基层、企业、学校、社区等受众开展抗震设防知识宣传。子系统部分界面如图 10所示。
图 10 抗震设防服务系统部分界面Figure 10. Partial interface of the seismic fortification service system4.4 防震减灾一体化综合查询子系统
防震减灾一体化综合查询子系统实现的主要功能包括地震应急信息查询、防震减灾科普知识查询和抗震设防信息查询。系统通过基于地图的交互式可视化查询等手段，平时为社会公众提供抗震设防信息、地震应急准备信息和防震减灾科普宣传知识等的查询；地震发生后，为社会公众提供震情、灾情信息以及应急救援动态等信息的查询。系统部分界面如图 11所示。
4.5 数据管理子系统
数据管理子系统提供空间数据和属性数据的更新与编辑，数据校验完成数据入库和更新时的数据检查、各类防震减灾科普知识的管理等功能，实现了一体化服务系统各类数据的管理和协同更新功能。系统部分界面如图 12所示。
5. 结束语
本文从降低新型城镇化进程中城镇地震灾害风险入手，基于较为成熟的科研成果，在结合城镇地震防灾与应急处置特点进行方法与技术研究的基础上，根据市县地震工作部门平时防御和震时应急的需要，进行了城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统研究，包括系统目标、总体架构、功能设计和系统实现。城镇地震防灾与应急处置一体化服务系统具备“一体化”和“模块化”的特点，能灵活适应不同市县的实际需求，可切实提高市县地震工作部门防震减灾工作的科技含量，丰富工作手段，并提供高时效性的基础数据，从而全面提高市县防震减灾能力，为城镇化建设营造安全的地震环境。目前，系统已经在丹棱县进行应用示范，经过5个月的测试及使用，该系统已具备了稳定的性能。在后续工作中，该系统将在地震重点监视防御区更多市县进行推广应用。
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图 1 三跨梁桥有限元模型示意
Figure 1. Schematic diagram for the finite element model of three-span girder bridge
图 6 RSN77作用下左墩不同高度结点纵桥向位移时程
Figure 6. Nodal displacement of variant height along the left pier under RSN77 seismic excitation
图 12 地震动RSN77作用下构件失效过程
Figure 12. Failure process of structural members under the seismic excitation of RSN77
图 13 不同时刻左墩柱截面曲率沿墩高分布情况
Figure 13. Section curvature distribution of height along the left pier at different time
表 1 混凝土材料本构参数
Table 1. Parameters for the core and cover concrete material
材料参数 峰值压应力$ /\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 峰值压应变$ {\varepsilon }_{0} $ $ \mathrm{压}\mathrm{溃}\mathrm{应}\mathrm{力}/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 压溃应变${\varepsilon }_{{\rm{u}}}$ 峰值拉应力$ /\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 软化刚度$ /\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $ 核心层 −30.85 −0.002 1 −6.2 −0.012 2.16 300 保护层 −30.00 −0.002 0 −6.0 −0.005 2.10 300 
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表 2 不同国家规范给出的等效塑性铰长度计算公式
Table 2. Computing formula for the equivalent length of pier plastic hinge in China, USA, Europe and Japan
规范名称 等效塑性铰长度$ {L}_{\mathrm{p}} $计算公式 按规范公式计算
得到的$ {L}_{\mathrm{p}} $/m美国Version 1.7《Seismic design criteria》 $0.08 L+0.022{f}_{{\rm{s}}}{d}_{{\rm{s}}}$ 0.86 中国JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》 $0.08 L+0.022{f}_{{\rm{s}}}{d}_{{\rm{s}}}\geqslant \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(0.044{f}_{{\rm{s}}}{d}_{{\rm{s}}},2/3 h\right)$ 0.86 欧洲BS EN 1998-2: 2005+A2:2011《Eurocode 8-Design of structures for earthquake resistance-part 2: bridges》 $0.1 L+0.015{f}_{{\rm{s}}}{d}_{{\rm{s}}}$ 1.18 日本《Specifications for highway bridges-part V seismic design》 $0.2 L-0.1 h;0.1 h\leqslant{L}_{{\rm{p}}}\leqslant 0.5 h$ 0.75
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