段昕智， 徐 艷， 李建中

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

隨著近年來公路交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和規(guī)劃發(fā)展，越來越多的大跨度橋梁在滇西北和藏東南以及川西等高烈度地震區(qū)域建成以及正在修建，這些橋梁很可能會(huì)建于活性斷層附近或不可避免的跨越斷層。眾所周知的5.12汶川大地震，造成了靠近發(fā)震斷層附近地區(qū)工程結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，特別是橋梁工程的嚴(yán)重?fù)p壞，使得救災(zāi)物資和救援人員難以抵達(dá)，導(dǎo)致災(zāi)害更為嚴(yán)重。

事實(shí)上，從20世紀(jì)90年代以來，美國(guó)、日本、土耳其以及中國(guó)臺(tái)灣相繼發(fā)生的近斷層地震(Loma Prieta、Northridge、Kobe、Lzmit and ChiChi)充分展示了此類地震異于遠(yuǎn)場(chǎng)地震的顯著脈沖特點(diǎn)及其對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的災(zāi)難性破壞，引起了國(guó)際地震工程界和土木工程界對(duì)該類地震動(dòng)本身及其作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能的廣泛而深入的研究［1-3］。普遍的研究表明:近斷層地震最為突出的兩個(gè)特點(diǎn)是它的前導(dǎo)方向性(forward rupture directivity)效應(yīng)和滑沖效應(yīng)(fling step)［4］。前一效應(yīng)表現(xiàn)為加速度時(shí)程中明顯的脈沖，后一效應(yīng)表現(xiàn)為速度時(shí)程中的速度脈沖以及由此產(chǎn)生的大位移。Makris等人的研究［5］進(jìn)一步表明，即使由滑沖效應(yīng)產(chǎn)生的速度脈沖引起了很大的地面位移，但導(dǎo)致大部分土木工程結(jié)構(gòu)(T＜4 s)破壞的是前導(dǎo)方向性效應(yīng)產(chǎn)生的加速度脈沖，而速度脈沖只有對(duì)一些長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)(T＞4 s)才值得關(guān)注。

從已發(fā)表的文獻(xiàn)來看，目前大部分工作集中在對(duì)周期較短的建筑結(jié)構(gòu)在近斷層加速度脈沖作用下的研究，而針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少且研究對(duì)象的周期較短［6］，通常不超過4 s，對(duì)于長(zhǎng)周期橋梁結(jié)構(gòu)在近斷層脈沖作用下的研究相對(duì)缺乏，且滑沖效應(yīng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)沒有前導(dǎo)方向性效應(yīng)研究的廣泛和深入。

因此，作為近斷層地震作用下大跨度橋梁抗震性能的系列研究之一，首先選取具有典型滑沖和前導(dǎo)方向性效應(yīng)的近斷層地震記錄，針對(duì)大跨度橋梁的三種代表性橋型:懸索橋、斜拉橋和拱橋進(jìn)行了地震響應(yīng)比較分析，探討近斷層地震的不同脈沖效應(yīng)對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

1 輸入地震動(dòng)的選取

輸入地震動(dòng)的選取主要考慮近斷層地震動(dòng)的顯著特點(diǎn)，并各具代表性:(1)1940 Elcentro NS記錄，它是使用最為廣泛的地震波，并且其加速度和速度時(shí)程中均不含有任何脈沖，以此作為研究近斷層地震兩種脈沖效應(yīng)的基礎(chǔ);(2)Rinaldi記錄，它的顯著特點(diǎn)是具有前導(dǎo)方向性效應(yīng)產(chǎn)生的加速度脈沖;(3)Tcu076記錄，它的顯著特點(diǎn)是具有滑沖效應(yīng)產(chǎn)生的速度脈沖及大位移。

上述ELcentro和Rinaldi記錄均來自太平洋地震研究中心強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù)PEER Strong Motion Database(http://peer.berkeley.edu/smcat/index.html)，但Tcu076記錄來自臺(tái)灣中央氣象局CWB官方網(wǎng)站(http://www.cwb.gov.tw)。這是因?yàn)镻EER在加速度數(shù)據(jù)處理過程中采用高通濾波，濾掉了引起地面大位移的低頻分量［7］，盡管這樣的處理方法得到的正負(fù)總位移量和從0開始的靜力大位移是相當(dāng)?shù)?，但?duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)也許并不合適。因此，采用CWB獲得加速度時(shí)程記錄，并通過積分和二次積分獲得速度和具有明顯滑沖效應(yīng)的位移時(shí)程，表1為以上各記錄的相關(guān)信息。

表1 所用地震波信息

因Elcentro NS記錄的加速度峰值在0.3g左右，因此以上所有記錄均按加速度峰值調(diào)整到0.3g，圖1為相應(yīng)的5%阻尼比的加速度和位移反應(yīng)譜?？紤]到大跨度橋梁的周期很長(zhǎng)，因此反應(yīng)譜曲線包含了直至21 s的長(zhǎng)周期成分。

圖1 所選地震波的反應(yīng)譜

2 橋梁模型的建立

三種典型的大跨度橋梁模型分別如圖2所示。模型1為主跨1 650 m的地錨式懸索橋;模型2為主跨1 088 m的飄浮體系斜拉橋;模型3為主跨550 m的鋼系桿拱橋?？紤]到研究目的在于探討近斷層地震脈沖效應(yīng)對(duì)不同周期橋梁結(jié)構(gòu)的影響而并非對(duì)實(shí)橋的抗震性能研究，因此在建模過程中，上部結(jié)構(gòu)均采用梁、桿單元來模擬;支座、伸縮縫等連接處均采用主從關(guān)系來模擬，主梁以及塔梁或拱梁交接處縱向約束均放松;下部結(jié)構(gòu)在墩底處固結(jié)。這樣處理有助于簡(jiǎn)化模型而將重點(diǎn)放在脈沖效應(yīng)引起的動(dòng)力響應(yīng)的差異上?？紤]到大跨度橋梁的恒載比例較大，且?guī)缀畏蔷€性的影響不能忽略，所有模型的動(dòng)力計(jì)算均在考慮恒載幾何非線性的剛度基礎(chǔ)上進(jìn)行。表2列出了這三個(gè)橋梁模型的基本動(dòng)力特性。

表2 三個(gè)橋梁模型的基本動(dòng)力特性

3 橋梁模型的地震響應(yīng)分析

對(duì)三個(gè)橋梁模型分別進(jìn)行三個(gè)正交方向的地震激勵(lì)，即縱橋向、橫橋向和豎向。根據(jù)各個(gè)橋型的不同特點(diǎn)，分別選取如圖2中1、2、3、4、5、6所示位置:懸索橋和斜拉橋的塔頂、塔梁連接處，拱橋的拱頂、拱腳、拱肋橫梁交接處，各墩墩頂?shù)炔课贿M(jìn)行地震響應(yīng)的觀察。表3～表8列出了這些部位在所選近斷層地震輸入下的地震響應(yīng)。

3.1 模型1-懸索橋

如表3所示，以加速度脈沖為主導(dǎo)的Rinaldi輸入引起懸索橋各關(guān)鍵部位的位移響應(yīng)與Elcentro波的結(jié)果比較接近，個(gè)別部位甚至還小，但是以滑沖效應(yīng)為主導(dǎo)的Tcu076輸入?yún)s激起了塔梁連接處3～4倍的位移響應(yīng);與此同時(shí)，縱向輸入下塔頂?shù)奈灰茀s相差不大，而且位移量也相比較小，這說明塔本身的振動(dòng)不是引起如此大縱向相對(duì)位移的主要原因。另外，由表2可見，盡管懸索橋的一階周期最長(zhǎng)，達(dá)到21 s，但模態(tài)是橫橋向的，而第二階縱橋向模態(tài)周期為12 s，但只有9.4%的質(zhì)量參與，可以預(yù)見的是隨著縱橋向振動(dòng)質(zhì)量參與的增加，滑沖效應(yīng)的影響會(huì)更明顯，這在模型2中可以得到印證。

當(dāng)?shù)卣鸩M向輸入時(shí)，相比其它地震輸入，Tcu076引起的塔頂?shù)奈灰圃?～4倍，這是因?yàn)樗臋M橋向主要振型發(fā)生在3.15 s左右，而在這個(gè)附近，Tcu076相比Elcentro和Rinaldi兩條輸入具有更大的加速度和位移反應(yīng)譜值。這也說明由滑沖主導(dǎo)的地震波不但對(duì)周期超過4 s的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)有很大的影響，對(duì)周期在3～4 s的結(jié)構(gòu)也具有一定的影響。

圖2 橋梁有限元模型

對(duì)于豎向輸入，由于大部分豎向震動(dòng)模態(tài)都是高階模態(tài)，因此通常來說，它們對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響不大，但如表3可見，豎向輸入引起了塔頂較大的縱向位移，同時(shí)由表4可見，豎向輸入會(huì)在塔柱產(chǎn)生巨大的軸向力，而且接近同樣地震波縱向輸入產(chǎn)生的10倍，由此可知橋塔結(jié)構(gòu)對(duì)豎向地震動(dòng)比較敏感，而近斷層地震動(dòng)一般較普通地震動(dòng)具有較大的豎向地震動(dòng)分量，這也是大跨度索塔結(jié)構(gòu)在近斷層地震作用下需考慮的一個(gè)問題。

表3 模型1關(guān)鍵部位的位移響應(yīng)cm

由表4還可見，近斷層地震的滑沖效應(yīng)對(duì)于懸索橋的主塔內(nèi)力的影響遠(yuǎn)沒有位移影響大，但相比較而言，依然是Tcu076引起的響應(yīng)較大。

表4 模型1塔底地震內(nèi)力

3.2 模型2-斜拉橋

由表5可見，Tcu076引起的縱向位移比其他兩個(gè)輸入明顯大，約為Elcento波輸入的5倍;另一方面，塔梁連接處的縱向位移與塔頂?shù)目v向位移相差不大，這表明在斜拉橋模型中，塔的振動(dòng)是引起塔梁連接處產(chǎn)生大位移的主要原因，這主要是因?yàn)樾崩瓨虻谝浑A模態(tài)發(fā)生在15.3 s，且包含了塔和梁各自的縱橋向振動(dòng)以及一半以上全橋質(zhì)量參與的振動(dòng)模態(tài);相對(duì)而言，各條地震波引起斜拉橋模型的地震內(nèi)力響應(yīng)差別較小(如表6所示)，但在縱向輸入時(shí)，無論是加速度脈沖主導(dǎo)的Rinaldi輸入還是以滑沖為主導(dǎo)的Tcu076輸入，均在塔底產(chǎn)生了2～3倍于Elcento輸入的軸力和彎矩。

表5 模型2關(guān)鍵部位的位移響應(yīng)cm

表6 模型2塔底地震內(nèi)力

當(dāng)?shù)卣鸩M向輸入時(shí)，Rinaldi對(duì)塔的橫橋向位移最不利，這與塔本身的橫橋向振動(dòng)模態(tài)有關(guān)，因?yàn)樵撃Ｐ偷乃恼裥驮?.15 s左右，而從圖1可見，在這個(gè)周期附近，Rinaldi輸入相比其它幾條記錄具有較大的位移反應(yīng)譜值。

對(duì)于豎向輸入，與模型1的結(jié)果類似，除了在塔頂引起較大的縱向位移外，不同的記錄對(duì)橋梁的縱向位移并無太大的影響，但在塔底引起了很大的軸力。事實(shí)上，由于該模型塔的豎向震動(dòng)模態(tài)發(fā)生在很高階，周期約為0.25 s，因此，不同的近斷層記錄產(chǎn)生的結(jié)果都很接近。

3.3 模型3-拱橋

由表7可見，對(duì)于拱橋結(jié)構(gòu)，滑沖效應(yīng)對(duì)位移的影響似乎并不統(tǒng)一:如表7中2、5處的縱向位移，甚至小于Elcentro輸入的結(jié)果，相比而言，Rinalidi輸入的影響更大;但對(duì)于過渡孔邊墩墩頂處的縱向位移，以滑沖為主導(dǎo)的Tcu076輸入產(chǎn)生的依然最大，特別是圖2(c)中標(biāo)注的3和4所示的橋面伸縮縫處，縱向位移是Elcentro波產(chǎn)生的7倍，在數(shù)值上接近90 cm。實(shí)際上，這種現(xiàn)象充分說明了滑沖效應(yīng)與結(jié)構(gòu)周期之間的關(guān)系:該模型中，主橋縱向振動(dòng)為第三階模態(tài)，周期為2.9 s，但過渡孔邊墩的縱向振動(dòng)為一、二階模態(tài)，周期分別為4.41 s和4.27 s，同時(shí)該模型在這橋面兩伸縮縫處的縱向平動(dòng)約束是釋放的，這意味著，在地震的作用下，兩伸縮縫之間的橋面開始縱向振動(dòng)，這一模態(tài)將成為引起縱向位移的主導(dǎo)模態(tài)，并且周期很長(zhǎng)，因此加速度頻譜中的低頻分量將對(duì)此位移產(chǎn)生巨大的影響。

當(dāng)?shù)卣鸩M向輸入時(shí)，拱頂?shù)奈灰葡喈?dāng)大，但由于拱橫向振動(dòng)的周期在2.3 s左右，而在此周期附近，對(duì)于所選的幾條地震輸入其反應(yīng)譜值都比較接近，因此拱頂?shù)奈灰葡嗖畈淮?，也就是說，加速度脈沖和滑沖效應(yīng)對(duì)拱橋位移響應(yīng)的影響都不大。但是，另一方面，如表8中所示，對(duì)于拱腳的內(nèi)力而言，Rinaldi的影響相對(duì)較大，豎向輸入時(shí)的軸力以及縱向和橫向輸入時(shí)的彎矩都比Tcu076大1.5倍。這也說明，對(duì)于中短周期結(jié)構(gòu)，滑沖效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)并無太大影響，但加速度脈沖即前導(dǎo)方向性效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力具有更大的影響。

表7 模型3關(guān)鍵部位的位移響應(yīng)cm

表8 模型3拱腳地震內(nèi)力

3.4 模型橋的地震響應(yīng)比較

為比較地震脈沖特點(diǎn)對(duì)三座橋梁模型地震響應(yīng)的影響程度，以Elcentro輸入的結(jié)果為基準(zhǔn)，繪出不同輸入下三個(gè)橋梁模型關(guān)鍵部位的位移和內(nèi)力地震響應(yīng)比值，如圖3～圖6所示。

圖3 縱向相對(duì)位移

圖4 塔頂(拱頂)橫向位移

圖5 塔底(拱腳)軸力比較圖

由圖5可見:橫向輸入時(shí)，Tcu076對(duì)于模型1的地震響應(yīng)影響最大，無論是塔頂位移還是塔底的內(nèi)力都比Elcenro輸入大，尤其是對(duì)位移的影響更大;在縱向輸入時(shí)，Tcu076對(duì)模型2的總體響應(yīng)影響最大(對(duì)模型3的部分位移影響很大與拱梁結(jié)合處的模擬和模型考慮了邊墩有關(guān)，并不是全橋的縱向振動(dòng)引起的)，Rinaldi輸入對(duì)其位移響應(yīng)雖無太大影響，卻對(duì)其內(nèi)力響應(yīng)具有與Tcu076輸入同等程度的影響，而對(duì)模型3的內(nèi)力響應(yīng)影響甚至比Tcu076輸入還大。

圖6 塔底(拱腳)彎矩比較圖

從分析結(jié)果來看，以滑沖效應(yīng)為主導(dǎo)的Tcu076輸入對(duì)于懸索橋和斜拉橋模型的地震響應(yīng)影響最大，其中又以模型2的縱向位移響應(yīng)和模型1的橫向位移響應(yīng)最為嚴(yán)重，但同時(shí)以前導(dǎo)方向性效應(yīng)為主的Rinaldi輸入對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的影響也不容忽視;而對(duì)于拱橋模型，滑沖效應(yīng)可能對(duì)其中部分結(jié)構(gòu)(如邊墩和伸縮縫之間的橋面系)的位移響應(yīng)具有較大的影響，但此時(shí)以前導(dǎo)方向性效應(yīng)為主的Rinaldi輸入對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響更為顯著;另外，還必須注意到，與Elcento輸入相比，無論是Tcu076還是Rinaldi輸入下，雖然總體上對(duì)各橋梁模型所選取部位的動(dòng)力響應(yīng)存在明顯的放大效應(yīng)，但并不是全部。由于大跨度橋梁類型各異且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還需針對(duì)具體橋型進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

因此，通過分析，總體來說，近斷層地震的兩種脈沖效應(yīng)，都將對(duì)大跨度橋梁產(chǎn)生較大的影響，尤其是位移響應(yīng)，其中的滑沖效應(yīng)加劇了長(zhǎng)周期大跨度橋梁本身存在的大位移問題。很明顯，當(dāng)靠近或跨越斷層修建大跨度橋梁已不可避免時(shí)，采用合理的限位和減隔震措施來解決這一問題將是提高此類橋梁近斷層抗震性能的有效途徑。

4 結(jié)論

通過選取具有典型脈沖效應(yīng)的近斷層地震記錄，檢查了三座不同類型的大跨度橋梁的地震響應(yīng)并探討了兩種脈沖效應(yīng)的影響，得到了以下結(jié)論:

(1)滑沖效應(yīng)在長(zhǎng)周期的大跨度橋梁關(guān)鍵部位產(chǎn)生數(shù)倍于一般地震的位移和內(nèi)力響應(yīng)，但相比較而言，對(duì)位移的影響比對(duì)內(nèi)力的影響大;

(2)前導(dǎo)方向性效應(yīng)對(duì)大跨度橋梁的位移響應(yīng)并無太大影響，但對(duì)其內(nèi)力響應(yīng)卻具有與滑沖效應(yīng)同等程度的影響;

(3)對(duì)于拱橋結(jié)構(gòu)，滑沖效應(yīng)可能對(duì)其中部分結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)具有較大的影響，但此時(shí)前導(dǎo)方向性效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響更為顯著;

(4)滑沖效應(yīng)加劇了長(zhǎng)周期大跨度橋梁本身存在的大位移問題，必須采用合理的限位和減隔震措施來提高此類橋梁的近斷層抗震性能。

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