近断层脉冲型地震作用下CFRP修复桥墩的高速铁路轨道-桥梁系统抗震性能评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic performance assessment of high-speed railway track-bridge system with CFRP-repaired piers under near-fault pulse-like ground motions

　　**摘要**- 提出了增强的记录分解嵌入方法（ERDI）来模拟人工近断层脉冲记录，该方法能够实现自动脉冲识别、综合拟合和永久位移重建。- 脉冲特征（包括脉冲幅值、脉冲周期、脉冲峰值数和永久位移）对高速铁路轨道-桥梁系统（HSRTBS）的地震响应有显著影响。- CFRP修复可以提高受损桥墩的HSRTBS抗震性能，恢复程度取决于修复配置。**引言**中国高速铁路网络向活动断裂带的扩展引发了对桥梁在强地震灾害下失效的担忧。包含速度脉冲的近断层地震动会对高速铁路桥梁造成巨大的地震需求。桥墩是桥梁最关键的部件，其失效可能导致功能大幅丧失。本研究旨在研究CFRP修复的钢筋混凝土空心桥墩高速铁铁路轨道-桥梁系统（HSRTBS）在近断层脉冲型地震动下的抗震性能。近断层脉冲型地震动通常根据断层破裂机理分为两类。前向指令性（F-D）脉冲源于破裂指令性效应，表现为双向速度脉冲；甩脱阶跃（F-S）脉冲源于永久地面位移，产生单向速度脉冲。多项研究表明，两种脉冲类型对结构地震响应的影响各不相同。Mahmoud等人在钢筋混凝土建筑研究中报告称，F-S脉冲同时增加了地震需求和损伤指数，这一现象在其他结构的研究中也有观察到。相反，Emamikoupaei等人发现钢模块化建筑系统对F-D脉冲更为敏感。除脉冲类型外，脉冲幅值、周期、峰值数的变化也与结构地震响应强烈相关。Li等人识别出脉冲特征与斜拉桥地震需求之间的正相关性。脉冲周期还影响着建筑和桥梁中控制响应措施的有效性。此外，永久位移对结构残余响应有显著影响。Burks和Baker证明，单自由度系统的倒塌能力通常随位移幅值的增加而下降。这些脉冲特征对修复后的HSRTBS是否产生类似影响尚待确定。然而，由于近断层脉冲型地震动稀缺，通常合成立方波形以扩展敏感性分析。破裂指令性参数化和解析脉冲模型描述了主导速度脉冲。甩脱阶跃位移的预测关系和地震动的物理模拟将这些表征扩展到永久偏移和宽带运动。小波分析、脉冲参数估计和空间旋转可从记录中识别脉冲并估计其参数。记录分解嵌入（RDI）方法将等效脉冲与源自原始记录的高频背景结合，但现有流程仍需人工脉冲拟合和目视检查，且无法模拟和施加永久位移。因此，我们提出了增强的记录分解嵌入（ERDI）方法，该方法能够自动拟合人工脉冲并施加目标永久位移。碳纤维增强聚合物（CFRP）已成为常用的抗震修复材料，凭借其优异的力学性能和成本效益。Agrawal等人认定CFRP包裹是提高桥墩抗震性能的有效手段，Attard等人证明CFRP可进一步增强位移延性。一些研究还表明，层数、厚度和包裹高度控制约束、延性和破坏模式。修复指南将这些参数与所需的加固需求联系起来。然而，大多数现有研究主要关注孤立部件的行为。相比之下，HSRTBS形成强耦合动力系统，桥梁与CRTS II轨道系统持续相互作用。仅改善桥墩性能并不能确保互联桥-轨系统的恢复，因为即使微小的桥墩变形也可能通过轨道层传播。我们之前的工作评估了CFRP修复空心桥墩在系统层面的恢复有效性，但CFRP配置的影响仍不清晰。本研究调查了CFRP修复的钢筋混凝土空心桥墩HSRTBS对近断层脉冲型地震动的响应。从PEER NGA-West2数据库中选取14条F-D和14条F-S脉冲记录，并缩放到设计基准地震（DBE）水平。随后，将经实验验证的OpenSees桥墩模型纳入HSRTBS模型。提出的ERDI方法通过改变脉冲幅值、脉冲周期、脉冲峰值数和永久位移，生成受控地震动场景。评估了关键部件的最大和残余响应，并分别评估了CFRP层数和包裹高度。**章节摘要****2. 方法论****2.1 方法论**为生成人工近断层脉冲记录（ANPRs），开发了增强的记录分解嵌入（ERDI）方法。与传统的RDI方法相比，该方法实现了自动脉冲识别和综合参数拟合。更重要的是，它能够重建脉冲记录的永久位移，并将目标位移作为反馈来约束脉冲模拟过程。ERDI方法的主要步骤概述如下：**3. CFRP修复桥墩模型****3.1 CFRP修复桥墩模型**桥墩在OpenSees程序中按图7(a)所示模型表示。采用纤维截面非线性梁柱单元表示桥墩本体。保护层和核心混凝土分别用Concrete01模型和Concrete02模型建模，参数遵循Mander模型。Steel02模型描述纵筋和箍筋。在桥墩底部，设置零长度旋转弹簧。**4. 脉冲类型****4.1 脉冲类型**图11比较了完好、受损和CFRP修复桥墩在缩放的F-D和F-S脉冲记录下的HSRTBS地震响应。总体而言，F-S脉冲引起的响应大于F-D脉冲。在梁跨中，F-S脉冲响应分别比F-D脉冲大9.2%、7.8%和5.0%（对应完好、受损和CFRP修复配置）。在滑动层中这种放大更为明显。**5. 层数****5.1 层数**图16总结了关键部件最大和残余响应的变化，以20层作为参考。总体而言，40层包裹可视为研究范围内的最优选择。从20层增加到40层仅在大多数情况下产生微小降低，表明系统对层数相对不敏感。当层数超过50时，这些部件组表现出不同的响应特征。**6. 结论**本研究考察了CFRP修复桥墩的HSRTBS在近断层脉冲型地震动下的抗震性能。主要发现如下：(1) 提出了增强的记录分解嵌入（ERDI）方法并验证用于模拟人工近断层脉冲记录。该方法实现了自动脉冲识别和综合参数拟合，并能重建永久位移。(2) 脉冲特征能显著影响……**CRediT作者贡献声明****Zikun Kang：** 原创草稿撰写、验证、软件、方法论、数据整理。**Liqiang Jiang：** 审阅与编辑、监督、资源、资金获取、概念化。**Lizhong Jiang：** 监督、资源、资金获取。**利益冲突声明**我们声明，我们与其他人或组织之间不存在可能不当影响本研究的财务和个人关系，对任何产品、服务和/或公司不存在任何性质的职业或其他个人利益，这些利益可被解释为影响本手稿"近断层脉冲型地震动下CFRP修复桥墩高速铁路轨道-桥梁系统的抗震性能评估"的立场或评审。**致谢**本研究得到国家自然科学基金（52378209）、国家重点研发计划（2022YFC3004304）和湖南省科技项目湖湘青年人才计划（2023RC3057）资助。**作者：** Zikun Kang、Liqiang Jiang、Lizhong Jiang