想知道一座桥从轻微变形到严重损伤会经历什么,工程师常把地震记录逐级放大,让桥在电脑里反复接受考验。这种增量动力分析很常用。对于靠近断层的结构,研究进一步提出:能否从震级变化出发,让更强的地震具有相应的物理过程?

放大一段记录,与产生一场更大地震

把一段记录整体乘上系数,会改变幅值,同时保留原有波形的许多特点。而实际地震的震级变化,还涉及震源破裂、持续时间和频率成分等因素。近断层位置又会受到破裂方向和源距等条件的明显影响。

论文提出基于震级的增量动力分析方法 MIDA,通过物理地震动模拟构建不同震级下的输入,再考察近断层结构的响应。图中的断层与桥梁位置关系,说明这套分析把地震来源和工程位置放进了同一个场景。

传统 IDA 像把同一段声音逐渐调大,MIDA 则尝试从声源怎样发生变化开始,重新得到相应的输入。两种路径回答的问题相近,但组织场景的方式不同。对近断层桥梁,震源与桥梁的相对位置影响波到达各支承的过程;物理模拟可以把这些位置关系放在统一背景中,使逐级增强的输入具有明确的震源条件,并与结构所在场地相联系。

近断层斜拉桥与震源的空间关系。桥梁位置和断层条件一起参与地震场景的构建。
图 1|近断层斜拉桥与震源的空间关系。桥梁位置和断层条件一起参与地震场景的构建。 来源:原论文图。

让桥梁经历一组有来处的地震场景

研究以近断层斜拉桥为例,跟踪桥塔底部的曲率延性需求。曲率可以理解为构件弯曲的程度,延性需求则帮助描述构件进入非线性阶段后的变形水平。随着地震场景增强,桥梁的响应逐步进入更强的非线性范围。

论文将 MIDA 与传统 IDA 比较。在所研究的强震场景中,MIDA 得到的响应离散程度较小;相应算例的变异系数由传统方法的 95.3% 降至 51.5%。图中的散点分布,让这种差别变得直观,也反映了两类输入构建方式对响应统计的影响。

曲率延性描述构件达到屈服后,还需要继续弯曲到什么程度。桥塔底部是研究关注的位置,沿地震强度向上观察,可以追踪该部位怎样从较小变形进入更强的非线性响应。散点的离散程度反映不同输入场景之间的变化,变异系数则把波动大小与平均水平联系起来。MIDA 与 IDA 的对照,因而同时包含响应随强度增长的趋势,以及同一类强度条件下结果的分散情况。

两类增量分析方法得到的强度—曲率延性响应分布。比较散点的聚散程度,可以观察不同输入构建方式带来的响应离散差别。
图 2|两类增量分析方法得到的强度—曲率延性响应分布。比较散点的聚散程度,可以观察不同输入构建方式带来的响应离散差别。 来源:原论文图。

把极限分析和震源条件连接起来

传统增量分析提供了方便的性能追踪工具,基于震级的路径则进一步利用震源与传播模型,组织具有物理关联的地震场景。对近断层结构而言,这有助于说明某一组强烈响应来自怎样的地震条件。

这项研究把“地震逐级增强”从单纯的幅值操作,拓展为具有震源背景的场景变化。桥梁性能评估由此能够更紧密地连接区域地震环境与具体结构的变形需求。

性能评估最终需要知道,哪些地震场景容易使关键构件跨过某种变形界限。将这些场景与震级、震源及场地设置对应起来,可以帮助解释高响应的物理来处,也方便比较不同位置或结构方案。MIDA 把地震动生成环节向前推进了一步,让场景的构建逻辑与结构的非线性分析相衔接,为近断层工程提供另一种组织性能评估的方式。