張煜敏，趙國輝，劉健新

(長安大學公路學院，陜西西安710064)

0 引言

在一定時間內(nèi)，發(fā)生在同一震源區(qū)的一系列大小不同的地震，且其發(fā)震機制具有某種內(nèi)在聯(lián)系或有共同的發(fā)震構(gòu)造的一組地震總稱為地震序列，具有叢集的特征。強度等級高的地震，往往會伴隨著強余震的發(fā)生。結(jié)構(gòu)遭遇強震之后，較強烈的余震會使震害進一步加深，有時余震對結(jié)構(gòu)物的倒塌起著決定性的作用［1］。如唐山7.8級大地震中，主震后15h內(nèi)發(fā)生了6.8和7.1級強余震各一次。灤河大橋在主震中并未倒塌，而是在7.1級的強余震中發(fā)生橋墩折斷、橋梁落架、倒塌。1952年7月21日美國加州南部發(fā)生7.7級地震，而Bakersfield城卻毀于8月22日發(fā)生的5.8級強余震中。

橋梁結(jié)構(gòu)在防災減災工程中屬于生命線系統(tǒng)工程，是現(xiàn)代城市交通生命線的重要組成部分［2］。其在地震序列下的抗震性能對城市的防震救災工作起到至關(guān)重要的作用，而抗震措施用以在整個地震序列作用下防止橋梁發(fā)生毀滅性的破壞。由梁擱置長度、限位裝置和連梁裝置構(gòu)成的防落梁系統(tǒng)被用來防止相鄰橋聯(lián)在強烈地震中產(chǎn)生過大的相對位移［3］，連梁裝置作為該系統(tǒng)的最后一道防線，在防止橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生落梁時起到至關(guān)重要的作用。

本文選取具代表性的集集地震序列作為分析時的地震荷載，考慮余震對結(jié)構(gòu)造成的破壞，分析設置連梁裝置的橋梁結(jié)構(gòu)在地震序列下的響應，為更進一步進行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設計提供參考。

1 地震序列作用下的結(jié)構(gòu)響應

1.1 地震序列的分類與選取

按序列中最大地震與次大地震震級差ΔM，并兼顧最大地震與次大地震的時間差ΔT，將地震序列分為4類:孤立型地震、主震－余震型地震、雙震型地震、多震型地震。我國大陸的地震序列中，主－余震型的地震序列占主要地位，約占60%左右，而主－余震型地震發(fā)生強余震的比率隨主震的震級增大而提高，而且強余震的震級隨主震震級增大提高［4］。

通過收集已發(fā)生的主－余震地震序列發(fā)現(xiàn)，我國臺灣主震為7.6級的集集地震序列規(guī)模驚人，震級6.5以上的強烈余震在主震后7d內(nèi)便已發(fā)生4次，是全世界相當罕見的例子［5］。整理地震臺站TCU078所收集的集集地震序列記錄，取其中具代表性的部分作為地震荷載進行動力時程分析計算，序列中的主震時程如圖1所示。因落梁震害通常發(fā)生在順橋向，計算時采用主余震依次沿順橋向輸入的累積方式對結(jié)構(gòu)進行地震激勵，余震在前震持時之后進行激勵，該地震序列的參數(shù)如表1所示。

表1 集集強震序列時程參數(shù)統(tǒng)計表

1.2 工程背景

采用5 m×30 m連續(xù)梁橋，主梁橫斷面如圖2所示，梁寬17 m、高1.6 m，墩高10 m，墩徑1.8 m，邊墩采用滑板支座，中墩采用板式支座，支座高度為0.053 m。主梁材料為C50混凝土，蓋梁和橋墩采用C30混凝土。主梁、蓋梁與橋墩均采用梁單元模擬，橡膠支座模擬為彈性連接，墩底采用固結(jié)方式模擬地基，不考慮樁基作用。其有限元模型如圖3所示。

圖2 主梁橫斷面圖

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

1.3 地震序列下的結(jié)構(gòu)響應

通過對橋梁結(jié)構(gòu)進行地震序列動力時程分析，得到該地震序列作用下橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應結(jié)果(表2)。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)地震響應結(jié)果統(tǒng)計表

由表2中數(shù)據(jù)可見，地震序列作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的主梁發(fā)生了較大位移，主梁與橋墩相對位移也較大。因邊跨采用滑板支座，地震荷載主要靠中墩分擔，邊墩的墩頂位移與墩底彎矩較中墩明顯小，而邊墩的梁墩相對位移則相對較大。

結(jié)構(gòu)梁墩相對位移(亦即支座發(fā)生的位移)為0.161 1 m，本橋支座的允許剪切變形量為0.080 m(支座高度為0.053 m，板式橡膠支座的允許剪切變形量為1.5H，H為支座的橡膠總厚度)。通過比較可見，在主震作用下主梁已脫座，在地震序列激勵下會有發(fā)生落梁的危險。

2 防落梁裝置的使用效果分析

因橋梁上部結(jié)構(gòu)在主震作用下發(fā)生落座，在余震序列作用下有發(fā)生落梁的危險，因此對橋梁結(jié)構(gòu)設置防落梁措施。連梁裝置作為防落梁系統(tǒng)的最后一道防線，在橋梁結(jié)構(gòu)遭遇未預期地震作用、支座因變形過大而喪失支承功能后，可以避免橋梁上、下部結(jié)構(gòu)之間的相對變位進一步增大至梁的擱置長度，從而防止落梁發(fā)生，以滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設計原則［6］。本文采用連梁裝置于橋梁邊跨連接上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)，其有限元模型簡圖如圖4所示。

圖4 連梁裝置的簡化模型

2.1 連梁裝置的設計

結(jié)合國內(nèi)外橋梁抗震措施的相關(guān)研究［7－8］以及規(guī)范中對連梁裝置設計方法的規(guī)定，采用日本《道路橋示方書(V耐震設計篇)·同解說》中連梁裝置的設計抗拉力等于支座反力的1.5倍(簡稱1.5倍恒載反力法)設計連梁裝置［9］。

得到連梁裝置的設計承載力HF=1.5Rd=2 526.39 kN。選擇抗拉設計強度σb=1 670 MPa，型號為PES(H)5－061的拉索，橋梁單側(cè)所有連梁裝置的總破斷索力Pb=4 000 kN。

2.2 采用連梁裝置后的結(jié)構(gòu)響應

對設置連梁裝置的橋梁結(jié)構(gòu)進行地震序列動力時程分析，將結(jié)構(gòu)地震響應與未設置連梁裝置時相比較，如表3所示。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)設連梁裝置后計算結(jié)果

由表3中計算結(jié)果可見，設置連梁裝置后，橋梁結(jié)構(gòu)在強震序列(除余震1)作用下的主梁位移和上、下部結(jié)構(gòu)相對位移均有減小，連梁裝置的作用使支座變形減小至其允許剪切變形范圍內(nèi)，起到了防落梁效果;邊墩墩頂位移與墩底彎矩增大，邊墩與中墩墩底彎矩值較為接近，說明在連梁裝置的作用下結(jié)構(gòu)抗推剛度及整體性均有所增大，邊墩亦參與分擔地震荷載，使地震力在各墩間平均分配。在地震序列中連梁裝置均發(fā)揮其防落梁作用，能夠保證結(jié)構(gòu)安全。

在余震1作用工況下，中墩的梁墩相對位移在設置連梁裝置之后反而較不設置時大，其原因是主震引起的邊墩上、下部結(jié)構(gòu)相對位移數(shù)值大于結(jié)構(gòu)在余震1單獨激勵時所產(chǎn)生的相對位移。主震激勵下結(jié)構(gòu)邊墩墩頂位移時程如圖5所示，主震時程到20 s之后邊墩墩頂產(chǎn)生了永久變位。對橋梁結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程響應分析，結(jié)果顯示橋墩墩底發(fā)生了塑性破壞，墩體一側(cè)保護層混凝土破碎，如圖6所示，結(jié)構(gòu)在后續(xù)余震激勵下的變形在此殘余變形基礎(chǔ)上發(fā)生。

圖5 主震激勵下邊墩墩頂位移時程

圖6 橋墩墩底破壞程度

3 結(jié)語

本文采用集集地震序列對橋梁結(jié)構(gòu)進行動力時程分析，得到橋梁可能發(fā)生落梁的情況，針對該況對結(jié)構(gòu)設置連梁裝置，并分析其對橋梁結(jié)構(gòu)動力響應的影響，得到如下結(jié)論:

(1)在地震序列作用下，橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的相對位移較大，主震作用下，橋梁支座位移超過了其允許剪切變形量，結(jié)構(gòu)在后續(xù)余震作用下有發(fā)生落梁的危險。對可能發(fā)生落梁的結(jié)構(gòu)，應采用防落梁措施以保證其不發(fā)生落梁震害。

(2)設置連梁裝置后，橋梁上、下部結(jié)構(gòu)相對位移有較大減小，主梁在整個地震序列中無落座危險。連梁裝置的作用使結(jié)構(gòu)的整體性有所提高，使地震力在各墩間平均分配。因邊墩的負荷增加，邊墩墩底出現(xiàn)了塑性破壞，梁端采用抗震措施的橋梁應對邊跨橋墩進行相應的延性設計，以便提高其抗震能力。

(3)地震序列作用下的結(jié)構(gòu)在主震時易發(fā)生損傷，余震將在前震的基礎(chǔ)上發(fā)生，當余震的震級較大時，結(jié)構(gòu)極易發(fā)生倒塌。對結(jié)構(gòu)進行抗震分析時，應考慮到強余震的作用，以保證其在地震序列作用下的結(jié)構(gòu)安全。

［1］丁文勝.下承式剛架系桿拱橋的抗震設計方法及試驗研究［D］.南京:東南大學，2006.

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［8］劉健新.公路橋梁減震裝置及設計方法研究總報告［R］.西安:長安大學，2000.

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