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老化桥梁和道路网络的抗震寿命
关键词。弹性；功能性；基础设施；桥梁；损伤；老化；腐蚀；生命周期
摘要
在地震等突发极端事件引起的破坏和紧急情况下，生命线的性能可以根据复原力的概念进行评估。由于老化造成的损坏也会在一段时间内发生，影响每个网络组件的结构性能，同时也会损害整个系统的功能。此外，应考虑到易受伤害的日益恶化的结构，如空间分布的桥梁，在网络上的稀疏位置，以制定适当的基础设施管理政策。本文提出了一种考虑不同地震情况下老化桥梁寿命结构反应不确定关系的运输网络抗震性能的概率评估方法，并采用非线性增量动力分析方法对与给定极限状态相关的时变抗震能力进行了评估。地震事件引起的初始破坏及其通过结构修复引起的恢复过程与不同道路使用者的交通限制有关。交通流分布分析是在道路网络上进行的，以评估事件后系统的功能和响应地震的弹性。通过考虑空间分布的钢筋混凝土桥梁在锈蚀中的作用以及具有弯道和再入连接的公路网，探讨了老化、地震情景和抗震能力相关等因素的作用。
导言
规划适当的生命线管理政策是满足社区基本需求的一项关键任务，不仅要满足运营不足的条件，而且要处于紧急状态，建筑规范和标准的新概念，特别是美国和欧洲的建筑规范和标准，正在成为一个驱动概念，为战略结构和基础设施的设计、评估、监测和维护提供创新趋势和实用政策。根据认识论方向和参考学科的理论背景，可以在文献中找到一些关于弹性的定义(Gilbert，2010年)。在土木工程中，弹性可以被定义为系统能够承受极端事件的影响，并能迅速和有效地恢复事件前的性能和功能(Bruneau等人，2003年)。结构和基础设施系统的弹性通常是考虑到造成的损坏和中断进行调查突然的极端危险，如地震(Biondini, Capacci, amp; Titi, 2015b; Bocchini amp; Frangopol, 2011, 2012a, 2012b; Bruneau amp; Reinhorn, 2007; Bruneau et al., 2003; Burton, Deierlein, Lallemant, amp; Lin, 2015; Capacci, 2015; Chang amp; Shinozuka, 2004; Cimellaro, Reinhorn, amp; Bruneau, 2010a, 2010b; Deco, Bocchini, amp; Frangopol, 2013; Franchin amp; Cavalieri, 2015)在这方面，道路基础设施网络在应对地震事件和相关危险方面发挥着重要作用，以确保向受灾社区迅速部署援助和资源，并迅速修复周围的生命线和建筑物 (Carturan, Pellegrino, Rossi, Gastaldi, amp; Modena, 2013; Zanini, Faleschini, amp; Pellegrino, 2017).
与图论一致，道路网络被定义为一组节点和边，即顶点和圆弧。顶点可以称为特定的兴趣点，用于定义交通系统中的出行起点和目的地，而边表示连接特定节点对的串联路段和桥梁。(Thomson amp; Richardson, 1995). 在这些因素中，桥梁往往是最脆弱的组成部分(Basoz amp; Kiremidjian,1998; Iwasaki et al., 1995; Yashinsky, 1995)。因此，对剩余结构承载力的评估以及桥梁事前预防性改造干预措施和事后有效恢复过程的定义是确保道路基础设施网络具有适当弹性水平的关键因素。(Billah amp; Alam, 2015)。特别是，公路桥梁对于保证适当的功能水平、防止或尽量减少地震后的中断和中断至关重要(Bocchini amp; Frangopol, 2011; Chang, 2009)。事实上，桥梁的损坏会因维修干预而造成直接经济损失，也会因网络停机和交通延误而造成间接损失。因此，通过确保公路运输系统的抗灾能力，将极端事件的后果降至最低是非常重要的(Venkittaraman amp; Banerjee, 2014)。然而，对于暴露在侵蚀性环境中的结构系统，由于老化和结构劣化的影响，损伤也会持续出现。
因此，不断恶化的结构和基础设施系统的抗震能力取决于地震事件发生的时间(Biondini, Bontemps, Frangopol, amp; Malerba, 2004, 2006; Biondini, Camnasio, amp; Palermo, 2014; Biondini amp; Frangopol, 2016, 2018; Frangopol, 2011; Jia amp; Gardoni, 2018; Kumar amp; Gardoni, 2014; Sanchez-Silva, Klutke, amp; Rosowsky, 2011; Yang amp; Frangopol, 2019)。此外，在运输设施的整个使用寿命期间，满足与交通流量有关的现代要求，应指导道路管理政策，使旧道路符合新的建设标准(Biondini, Camnasio, amp; Titi, 2015a; Biondini, Capacci, amp; Titi, 2017; Capacci, Biondini, amp; Titi, 2016; Titi amp; Biondini, 2013; Titi, Biondini, amp; Frangopol, 2015)。因此，系统功能和抗震能力应作为生命周期视角下的时变性能指标，以适当支持决策过程和关键基础设施管理的稳健和全面战略的定义(Papageorgiou, Mouratidis, amp; Eliou, 2012)。最后，在适当的道路管理政策中，应考虑桥梁等脆弱老化结构在运输道路网络上的空间分布，以评估基础设施投资的有效性，包括通过修建新的公路支路来升级现有道路网络(Capacci amp; Biondini, 2018a)。
本文提出了空间分布的老化桥梁在不同地震情景下的抗震性能评估和具有迂回和折返连接的公路网恢复力分析的生命周期概率方法。通过非线性增量动力分析(IDA)和蒙特卡罗模拟，评估了网络中劣化桥梁从损伤极限到倒塌的几种极限状态的时变地震易损性。震害程度取决于地震事件发生的时间，与车辆限制和交通限制有关。对整个道路网络进行交通流量分布分析，以计算在规定的灾后恢复情景下的系统功能和相应的地震恢复力。
该方法适用于受氯离子腐蚀的钢筋混凝土（RC）桥梁，考虑了具有绕行和再入连接的公路网。特别是考虑不同的网络配置，以研究桥梁之间不同水平的抗震能力相关性，以及地震事件对震级、震中位置和震源区的影响。这些应用程序的目的是显示老化和结构劣化对桥梁结构的抗震性能和公路网的地震恢复力的不利影响，并强调地震情景在弹性结构和基础设施系统的抗震设计中以面向多危险生命周期的方法的重要性。
钢筋混凝土桥梁在腐蚀作用下的结构劣化
氯离子腐蚀是钢筋混凝土桥梁的一个关键问题(美国土木工程师学会[ASCE]，2017)。材料、混凝土和钢筋在服役荷载、意外作用和极端事件(如地震)作用下的及时损伤会影响单个构件和整体结构的响应。本文基于侵蚀性环境下钢筋混凝土结构全寿命概率评估的一般方法(Biondini等人，2004,2006,2014)，在系统水平上对时变抗震性能进行了评估(Biondini et al.，2004,2006,2014)。这种方法既考虑了氯化物等侵蚀剂的扩散过程，也考虑了扩散引起的机械损伤，包括钢筋的腐蚀和混凝土的劣化(Bertolini，Elsener，Pedeferri，amp;Polder，2004)。基于相关随机变量的概率建模，考虑了与材料和结构特性的随机变异性、环境暴露、扩散过程和地震激励相关的不同不确定性来源(Biondini等人，2006,2014)。
扩散过程
费克扩散定律可以有效地描述混凝土中氯离子进入的过程。单组分在各向同性、均匀和时不变介质中的扩散过程可归结为以下二阶偏微分线性方程(Glicksman，2000)。
式中D是介质的扩散系数，C=C(z，t)是点z和时间t、=gard C(z，t)和=的化学成分浓度。
Fick扩散方程的数值解是通过细胞自动机实现的(Biondini等人，2004,2006；Titiamp;Biondini，2016)。
暴露情景与构件横截面外表面的点上规定的氯浓度(，t)=有关。
腐蚀损伤
当达到氯浓度Ccr的临界阈值时，会在时间Tcr触发腐蚀损伤。腐蚀速率取决于化学物质的空间浓度Cuuml;C(z，t)。基于氯化物攻击的现有数据(Bertolini等人，2004年)，假设以下关系(Biondini等人，2004年)
其中是损伤率系数。
钢筋锈蚀在钢筋混凝土结构中的主要作用是钢筋的质量损失。锈蚀钢筋的耐钢面积损失率可用无因次损伤指数(t)来描述，它提供了在[0，1]范围内劣化的直接度量。以这种方式，腐蚀钢筋的时变面积被表示为损伤指数的函数，如下所示(Biondini等人，2004年)。
其中是未损坏的条形的面积。
腐蚀过程还可能涉及钢材延展性的显著降低，即使是有限的质量损失(Almusallam，2001；Apostolopoulosamp;Papadakis，2008)。此外，氧化产物的形成可能会导致锈蚀钢筋周围的混凝土发生纵向劈裂，从而导致混凝土保护层的分层和剥落(Al-Harthy，Stewart，amp;Mullard，2011；Cabrera，1996；Guzman，Galvez，amp;Sancho，2011；Vdal，Castel，amp;Francois，2004；Zhang，Castel，amp;FrancAgeois，2010)。根据实验证据，这些损伤效应取决于质量损失量，可以通过将锈蚀钢筋的极限钢筋应变和周围混凝土的抗压强度与损伤指数联系起来进行有效的建模。退化函数()和()的表达式，以及与本研究采用的损伤模型的实验结果的数值验证，可以在Biondini和Vergani(2015)中找到。混凝土的劣化不被认为是本文提出的应用的一个关键因素，因此被忽略了。
空间分布钢筋混凝土桥梁的寿命抗震评估
抗震能力与桥梁损伤状态
摘要研究了不确定性条件下钢筋混凝土桥梁的寿命抗震能力。与网络中第b座桥梁的第s个破坏极限状态相关联的地震能力取决于桥龄，其中是地震事件发生的时间，是桥梁建造时间。lt; (Capacciamp;Biondini，2018b)，因此由于结构退化而是时变的(Biondini等人，2014,2015a；Capacci等人，2016)。相应的时变易损性曲线提供了假定在时间发生在第b桥位置的强度为的地震事件的情况下超出损伤极限状态的概率。
可以使用基于静态和动态结构分析的各种方法来绘制脆弱性曲线(Billahamp;Alam，2015)。本文将概率非线性IDA用于桥梁抗震能力评估(Vamvatsikosamp;Cornell，2002)。在考虑钢筋质量和延性逐渐减小的情况下，在不同的桥龄进行时变IDA。尽管IDA的计算成本很高，但它考虑了与地面运动和结构性能退化相关的不确定性，从而提供了对RC桥梁结构反应的透彻理解(Elnashaiamp;Di Sarno，2008)。
假定峰值地面加速度(PGA)为地震烈度量度。极限状态应通过与临界区过度塑性应变累积相关的损伤极限来告知。以梁桥为例，在地震荷载作用下，桥墩端部可能会出现塑性铰链。因此，桥梁性能水平可以按照Biondini等人提出的关于非弹性位移需求比的定义，类似于为建筑物制定的标准(加利福尼亚州结构工程师协会[SEAOC]，1995)。(2014)。因此，本文考虑了与最大桥墩位移相关的损伤度量，定义为在地震事件中桥墩顶部位移与桥墩高度的最大比值。值得注意的是，根据结构的类型和失效条件，可以考虑多个临界构件和相关的破坏措施来定义极限状态，并很容易将其纳入建议的框架中。
在下文中，损坏状态的达到与以下漂移阈值相关(Capacci，2015)：
，其中和分别是与桥墩底部横截面的第一次屈服曲率和最终弯曲度相关的损伤量度。
此外，当时，桥梁无损伤(ND，=0)，当不再满足地震动动
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