Seismic Performance Analysis of RSC Double-deck Bridge Bent with Steel-tube Grout Damper
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摘要: 为实现双层桥梁排架墩地震损伤控制设计，提出上层排架采用摇摆-自复位（Rocking Self-Centering，RSC）体系、下层排架不摇摆的双层桥梁排架墩设计思路，并采用钢管灌浆阻尼器（Steel-tube Grout Damper，SGD）提升摇摆接缝处的耗能能力。基于OpenSees数值分析平台分别建立了SGD和外置SGD的RSC双层排架墩抗震数值分析模型，结合试验结果验证了SGD和RSC排架墩建模方法的准确性。选取7条近断层地震动记录，基于增量动力分析（Incremental Dynamic Analysis，IDA）手段，研究外置SGD的RSC双层排架墩的地震反应。研究结果表明，当PGA为0.1 g时，SGD开始屈服耗能；当PGA为0.4 g时，SGD最大变形为名义极限变形的53.44%，无粘结预应力筋最大应力为名义屈服强度的59.60%；当PGA为0.8 g时，SGD接近拉断，预应力筋最大应力为名义屈服强度的84.78%；与耗能角钢相比，SGD变形及耗能能力更强，在强震作用下更不易发生拉断破坏。Abstract: A new design method for double-deck bridge bents was proposed to achieve seismic damage control. This method incorporates a rocking self-centering (RSC) structure for the upper-floor piers, while the lower-floor piers remain non-rocking. Additionally, steel-tube grout dampers (SGDs) are used to enhance the energy dissipation capacity of the joints. Numerical analysis models for the seismic behavior of the SGD and the RSC bent with SGD were developed using the OpenSees platform, and their accuracy was verified by comparing them with test data. Seven near-fault ground motions were selected, and incremental dynamic analysis (IDA) was conducted to study the seismic behavior of the bent. The study results indicate the following: (1) When the peak ground acceleration (PGA) is 0.1 g, the SGD yields and dissipates energy. (2) At a PGA of 0.4 g, the maximum deformation of the SGD is only 53.44% of the nominal ultimate maximum deformation, and the maximum stress of the unbonded prestressing tendons is 59.60% of their nominal yield strength. (3) When the PGA reaches 0.8 g, the SGD is close to rupture, and the maximum stress of the prestressing tendons is 84.78% of their nominal yield strength. Compared to steel angles, SGDs exhibit greater deformation and energy dissipation capacity and are less prone to rupture damage under strong earthquakes.
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引言
地震灾情快速评估是地震应急响应与政府决策的重要依据，可靠的地震灾情快速评估对提高地震应急能力、减少地震灾害损失有重要意义(杨天青等，2006)。地震灾情评估的准确性主要依靠地震应急基础数据的时效性，完善的地震应急基础数据库是地震应急指挥技术系统的重要支撑(聂高众等，2002)。县市防震减灾工作部门作为最基层的防震减灾单位，工作量大、人员少、任务重，开展防震减灾工作缺乏当地的实际数据支撑，现有数据更新困难。目前，在地震应急评估与决策工作中使用基础数据时存在如下几个问题：①数据精度不够高；②基础数据的内容不足以满足应急工作的需求；③部分基础数据密级较高，无法使用(聂高众等，2011)。地震发生后，无法为城镇地震应急处置快速提供可靠的地震灾情评估结果以及科学的辅助决策建议，直接影响城镇的地震应急工作。
2015年，四川省完成了全省第一次包括地形地貌、交通植被覆盖、水域、荒漠与裸露地、交通网络、普查居民地与设施、地理单元、地质灾害点以及芦山地震灾区城镇规划建设和生态环境修复等情况的普查工作。全国地理国情普查工作的主要目的是为全面查清我国地表自然和人文地理要素的现状和空间分布情况。
为探索地理国情普查数据在提高地震应急基础数据时效性、准确性方面的影响，深化地理国情普查成果的应用服务，提高县市防震减灾工作部门在地震发生后进行地震灾情评估的准确性，本文开展了地理国情普查成果数据与县市地震应急基础数据的转换及更新方法的研究，并以芦山7.0级地震为例，通过城镇地震应急快速评估系统进行检验，取得了良好效果。
1. 现有基础数据和技术平台
(1) 芦山县地理国情普查时点核准入库数据
芦山县地理国情普查时点核准入库数据基于四川省入库成果和四川省入库分县成果提取，数据比例尺精度为1:10000，坐标为2000国家大地坐标系，经纬度坐标；高程基准采用1985国家高程基准，高程系统为正常高，高程坐标单位为“米”，数据现势性为2015年，覆盖整个芦山县。具体涉及到的图层有：
① 地表覆盖数据集LcrDataset，主要包含地表覆盖分类数据图层，包括耕地、园地、林地、草地、房屋建筑区(群)、道路、构筑物、人工堆掘地、裸露地表、水体。
② 交通网络数据集TraDataset，主要包含铁路、公路、城市道路、乡村道路等交通线图层、及其它各类交通点、线图层。
③ 水域网络数据集HydDataset，主要包含水体线、水体面图层。
④ 构筑物要素数据集StrDataset，主要包含各类点、线、面构筑物，构筑物点包括闸、高速公路出入口、充电站等，构筑物线包括堤坝、隧道、桥梁等，构筑物面包括闸、码头尾矿堆放物等。
⑤ 地理单元数据集UniDataset，主要包含行政区划点、线、面图层，名胜古迹、自然文化保护区、居住小区、工矿企业、单位院落等面图层、居住小区、工矿企业、单位院落点图层等各类地理单元。
⑥ 元数据集MetDataset，包含各类数据的描述信息。
(2) 芦山县地震应急基础数据库
芦山县地震应急基础数据库数据共包括42个大类，65个小类的图、表数据。矢量数据比例尺精度为1:10000，坐标为2000国家大地坐标系，经纬度坐标。其中：
① 基础地理数据现势性为2012年，主要包括行政区划界限、水系、道路等。
② 表数据现势性为2012年，主要包括人口统计表、房屋基本情况调查表、国民经济统计表等。
③ 地震专题数据，现势性为2012—2015年，主要包括活动构造分布图、地震区划图、地震活动、重点监视防御区、地震台网、震害与救灾案例等。
(3) 城镇地震应急快速评估系统
城镇地震应急快速评估系统平台系统主要由系统平台、数据平台、业务应用平台、信息展示平台组成。其中，系统平台由软件和硬件平台组成；数据平台由灾情快速评估过程中所需的全国地震速报信息共享服务系统(Earth Quakes Instant Messenger，简称EQIM)数据、应急基础数据、灾情数据对应的数据库和用于存放中间数据和结果数据的系统数据库组成；业务应用平台主要满足县市防震减灾工作部门在城镇地震应急快速评估中的基本需求，包括灾情快速评估、灾情动态评估、灾情评估查询和灾情文档生成等应用。该系统集震情和灾情信息获取、快速评估、信息通告、动态显示、信息查询、辅助决策、命令发布等功能为一体。地震发生时，在地震应急基础数据库、实时灾情等多种信息的支持下，可以迅速判断地震灾害及影响范围、人员伤亡与损失等情况，能自动生成一系列简报文稿、地震及地震灾害专题图，并给出一系列救灾力量部署和调度的辅助决策建议。
2. 基于国普数据的县市地震应急基础数据转换与更新
2.1 总体技术路线
基于芦山县地理国情普查时点核准数据和县市地震应急基础数据，利用人工比对的方法，建立地理国情普查数据与应急基础数据的关系，完成基于芦山县国普数据的地震应急基础数据转换及更新，形成芦山县地震应急地理资源数据集，数据转换流程见图 1。
图 1 国情普查数据向地震应急数据转换流程Figure 1. Conversion process from the national condition data to earthquake emergency data2.2 数据关系的建立
(1) 芦山县地震应急基础数据整理
分析、整理县市地震应急基础数据库中的所有要素，并根据《区域级抗震救灾指挥部地震应急基础数据库格式规范(修订稿)》(中国地震局，2006)和芦山县区县代码库提取芦山县所有数据。同时，结合四川特有的地形特征和实际需求，新增加桥梁分布图(线要素)、区县(乡镇)驻地(点要素)、地名点(点要素)、地震动峰值加速度分布图(面要素)、水库分布点(点要素)、学校(点要素)、特征周期分布图(面要素)、水道分布图(面要素)，完成了芦山县58个小类地震应急基础数据的收集、整理(表 1)。
表 1 芦山县地震应急基础数据要素表Table 1. Basic data element of earthquake emergency in Lushan county序号 要素分类 几何类型 主要要素内容 1 气象信息 表格 芦山县气象统计表 2 城区疏散场地分布图 点要素 芦山县空地、林地、操场、运动场、公园等 3 桥梁 线要素 芦山县桥梁 4 水库 面要素 芦山县水库 … … … … 58 水道分布图面 面要素 芦山县水道分布 (2) 芦山县地理国情普查时点核准数据整理
四川省第一次全国地理国情普查时点核准数据包括地表覆盖、地理国情要素，其中地理国情要素主要有样本类、元数据类、构筑物类、交通类、地理单元类。结合《区域级抗震救灾指挥部地震应急基础数据库格式规范(修订稿)》、《SCGC02四川省第一次全国地理国情普查内容指标与数据规定》(四川省第一次全国地理国情普查领导小组，2013)及《GDPJ-01-2013地理国情普查内容与指标》(国务院第一次全国地理国情普查领导小组办公室，2013)等规范要求，以芦山县地震应急基础数据要素为比对样本，整理、提取芦山县地理国情普查数据相对应的图层要素，并对缺失数据进行收集、整理。
(3) 对应关系
通过对芦山县地理国情普查数据和芦山县地震应急基础数据的格式和结构进行分析，对2种数据的表示方法、内容及其组织方式进行对照。经过比对分析、图层筛选和人工匹配，将二者的空间信息、属性信息按照一对一、一对多、多对一、有对无、无对有等建立对应关系(表 2)。
表 2 地震应急基础数据库数据与地理国情普查数据图层对应关系表Table 2. Correspondence of basic earthquake emergency data and the geographic census data layer地理国情普查数据图层 地震应急基础数据图层 对应关系 中文名称 英文名称 中文名称 英文名称 自然文化保护 V_BERA4 旅游景点和自然保护区 TOURISM_SPOT 多对一 旅游区 V_BERP6 森林公园 V_BERA7 地市州级行政区划单元 V_BOUA4 地市代码库 CITY_CODE 一对多 地市界线 CITY_CODE_XIAN 地市驻地 CITY_CODE_ZHUDI 地名点 DIMINGDIAN 铁路 V_LRRL 铁路 RAILWAY 一对一 … … … … … (4) 关系匹配
通过整理好的芦山县地理国情普查时点核准数据、芦山县地震应急基础数据要素为比对样本，整理出二者的匹配关系，并提取出地理国情普查更新数据(表 3)。
表 3 芦山县地理国情普查数据与芦山县地震应急基础数据图层匹配关系Table 3. Matching relationship of the geographic census data and basic earthquake emergency data layer地震应急基础数据库 地理国情普查数据 处理方式 名称 几何类型 对应数据 提取依据 气象信息 表格 无 收集、整理 城区疏散场地分布图 点要素 应急避难场所 按GB码提取应急避难场所 关联分析 桥梁 线要素 构筑物(线) 按GB码提取桥梁 关联分析 水库 面要素 水域(面) 按GB码提取水库 关联分析 … … … … … 2.3 数据转换与更新
将转换后的地理国普数据全量更新到地震应急基础数据库中，实现地震应急基础数据库的快速更新。
(1) 对基础数据和表数据的转换与更新
① 利用芦山县地理国情普查地表覆盖数据集中的构筑物数据对应更新芦山县地震应急基础数据库的城区疏散场地。
② 利用芦山县地理国情普查交通网络数据集中的铁路对应更新芦山县地震应急基础数据库中的铁路，城市道路对应更新芦山县地震应急基础数据库中的城区道路，公路、乡村道路对应更新芦山县地震应急基础数据库中的公路。
③ 利用芦山县地理国情普查水域网络数据集中的水库对应更新芦山县地震应急基础数据库中的水库，河渠、湖泊对应更新芦山县地震应急基础数据库中的水道。
④ 利用芦山县地理国情普查构筑物要素数据集中的桥梁对应更新芦山县地震应急基础数据库中的桥梁以及城区市内桥梁，隧道对应更新芦山县地震应急基础数据库中的隧道，码头对应更新芦山县地震应急基础数据库中的港口、码头。
⑤ 利用芦山县地理国情普查地理单元数据集中的城镇综合功能单元对应更新芦山县地震应急基础数据库中的城区重要目标，行政区对应更新芦山县地震应急基础数据库中的行政区。
(2) 地震专题数据的转换与更新
对原芦山县地震应急基础数据库中现势性较差的地震专题数据进行更新和制作。其中，气象信息数据来源于气象部门2015年全年每天的天气数据，并根据芦山县地震应急基础数据库气象统计表的需求，对收集的气象数据进行整理、转换与更新，转换关系示意图见图 2。
其次，从统计局收集2015年最新的县及乡镇人口信息和县经济统计数据，根据四川省地震局最新的图片资料对地震动峰值加速度、特征周期分布进行扫描并矢量化。
其余地震专题数据收集后，通过比对原始数据记录和属性值，均按照地震应急基础数据库格式要求进行转换与更新。
3. 基于国普数据更新的应急基础数据应用
利用城镇地震应急快速评估系统，以芦山7.0级地震数据为例，将本次地震的三要素手工录入本系统，分别开展了基于原县市地震应急基础数据和基于芦山县地理国情普查数据更新的芦山县地震应急基础数据集的地震灾情快速评估。
地震灾情快速评估主要流程如图 3所示。经自动计算(未进行动态修正)，系统产出了地震灾情简报、地震灾情文档、地震灾区基本情况以及地震应急专题图等评估资料。从系统产出的两次地震影响估计范围分布图(图 4)可以看出，更新后的地震影响估计范围分布图中的极重灾区(Ⅷ度)影响范围扩大，一般灾区(Ⅵ度)和严重灾区(Ⅶ度)影响范围缩小，更接近中国地震局正式发布的四川省芦山7.0级地震烈度图。
图 3 地震灾情快速评估总体流程图Figure 3. The overall flowchart of rapid earthquake disaster assessment通过对本次地震导致的房屋倒塌、死亡人数、经济损失等评估结果进行统计发现，较未更新前，更新后的地震灾情评估结果也更接近震后调查统计结果(表 4)。
表 4 基础数据更新前后地震灾情评估结果对比Table 4. Comparison of results from earthquake disaster assessment before and after basic data updating统计指标类型 原数据评估结果 更新后评估结果 震后调查统计值 倒塌房屋/间 519 591 56000 破坏房屋/间 13331 14886 147000 死亡人数 64 83 196 受伤人数 2971 3728 13486 失去住所人数 35770 43896 房屋直接经济损失/万元 84193 93667 3207378 生命线经济损失/万元 3337 3713 2221000 其他经济损失/万元 7819 8698 1840977 总经济损失/万元 95349 106078 7269355 注：上表中评估结果未经过动态修正。 4. 结论与建议
本文通过建立地理国情普查数据和地震应急基础数据间的关系，完成了芦山县地理国情普查数据对芦山县地震应急数据的转换与更新；并利用城镇地震应急快速评估系统，对芦山7.0级地震重新进行了地震灾情评估。结果表明，新的评估结果更接近芦山地震实际造成的灾害损失，一定程度上提高了应急基础数据的时效性和地震评估结果的准确性。
地理国情普查数据对地震应急基础数据的更新，能够解决县市地震应急基础数据时效性差、更新力度差、数据不完善等问题，地理国情普查数据在地震应急基础数据中的覆盖度宽范围较广，能够基本实现地震应急基础数据中除地震专业数据以外的更新，是地震应急基础数据更新的重要数据源。建议相关部门可以建立国普数据对地震应急基础数据的常态化更新机制，持续为地震应急提供时效性好、针对性强的数据。
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图 1 设置SGD的RSC双层排架桥墩设计（单位：毫米）
Figure 1. Design details of the RSC double-deck bridge bent with SGD（Unit: mm）
图 2 设置SGD的RSC双层排架墩抗震数值分析模型
Figure 2. Numerical analysis model of the RSC double-deck bent with SGD
图 5 SGD与RSC双层排架墩连接方式
Figure 5. Connection type between the SGD and the RSC double-column bent
图 6 耗能构件单位面积滞回曲线对比
Figure 6. Comparison of hysteresis curves per unit area of energy consuming components
图 7 所选择近断层地震动放大系数谱
Figure 7. Amplification factor spectrum for selected near-fault ground motions
表 1 选取的地震动记录
Table 1. Selected earthquake records
编号 记录名称 断层距/km PGA/g NO. 1 TCU052-NS 1.84 0.49 NO. 2 TCU065-EW 2.49 0.79 NO. 3 TCU067-EW 1.11 0.50 NO. 4 TCU068-EW 3.01 0.51 NO. 5 TCU082-EW 4.47 0.23 NO. 6 TCU102-EW 1.19 0.30 NO. 7 TCU120-EW 9.87 0.23 
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表 2 设置SGD的RSC双层排架桥墩地震响应平均值
Table 2. Average seismic response of the RSC double-deck bridge bents with SGD
结构响应 PGA/g 0.1 0.2 0.4 0.8 顶层层间位移角/% 0.21 0.54 2.26 4.07 底层层间位移角/% 0.03 0.06 0.12 0.26 SGD最大变形/mm 0.50 2.20 15.70 26.53 预应力筋最大应力/MPa 589.86 630.32 886.17 1260.61
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