陳志偉，陳志強(qiáng)，李 晰

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋由于其卓越的跨越能力和地形適應(yīng)性，近年來(lái)在西部地區(qū)的公路、鐵路建設(shè)中得到了廣泛的運(yùn)用。從地震分布來(lái)看，我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯部位，地震頻繁而強(qiáng)烈，是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。而西部地區(qū)更是屬于強(qiáng)震多發(fā)區(qū)，汶川地震、青海玉樹地震、雅安蘆山地震以及九寨溝地震等近年來(lái)的幾次大地震都發(fā)生在西部地區(qū)。地震已經(jīng)成為威脅這類橋梁安全的主要因素之一。

近斷層脈沖地震動(dòng)作為特殊的一類地震動(dòng)，由于其距離斷層較近，更容易受到斷層前場(chǎng)方向性效應(yīng)的影響。這最直接的特征就表現(xiàn)為其速度或位移時(shí)程中包含有顯著的長(zhǎng)周期、高幅值脈沖[1]。這種脈沖能夠?qū)⒌卣饎?dòng)的很大一部分能量在短時(shí)間內(nèi)輸入結(jié)構(gòu)，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的地震反應(yīng)[2]。近年來(lái)不少專家學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。SOMERVILLE等[3]證明了在中長(zhǎng)周期段，脈沖型地震動(dòng)較非脈沖型地震動(dòng)具有更大的彈性反應(yīng)譜。陳令坤等[4]研究了脈沖效應(yīng)對(duì)高速鐵路橋梁彈塑性地震響應(yīng)的影響，結(jié)果表明在脈沖型地震動(dòng)作用下橋墩需要有更強(qiáng)的能量釋放能力和更大的延性。曾永平等[5]以川藏鐵路典型連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，研究了近斷層地震?dòng)對(duì)其地震響應(yīng)的影響，研究表明長(zhǎng)周期成分豐富、有能量脈沖的地震動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞較遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)更為嚴(yán)重。李晰等[6]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了近斷層地震動(dòng)對(duì)曲線剛構(gòu)橋抗震性能的影響，結(jié)果表明近斷層地震作用下曲線橋更容易發(fā)生破壞。

以上成果豐富了近斷層地區(qū)橋梁的抗震研究，對(duì)近斷層地震區(qū)橋梁的抗震設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。但是其針對(duì)的大多是普通橋梁，而對(duì)于高墩橋梁，其體系較柔，自振周期較長(zhǎng)，自振周期與脈沖周期更為接近，近斷層脈沖效應(yīng)對(duì)其影響更大。鑒于此，本文以西部地區(qū)某典型高墩大跨橋梁為例，研究近斷層脈沖效應(yīng)對(duì)其抗震性能的影響，為近斷層地區(qū)高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 高墩橋梁分析模型

1.1 工程背景

選取西南地區(qū)貴州省境內(nèi)的一高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ桃劳?，整個(gè)橋梁由左側(cè)的主橋+右側(cè)的引橋組成。其中主橋?yàn)?88+168+88)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，全長(zhǎng)344 m；引橋?yàn)?33+56+33)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，全長(zhǎng)122 m，橋墩編號(hào)從左到右依次為1?！?＃。5個(gè)橋墩中最高墩為2＃墩，墩高103 m，最矮墩為5＃墩，墩高19 m，兩者高差 84 m。最大相鄰墩高差47 m。1＃和2＃高墩采用了空心矩形變截面形式，其余采用空心橢圓變截面形式。主梁采用的是12 m寬變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁，梁截面高度按照二次拋物線變化。1＃墩和2＃墩兩個(gè)高墩采用墩-梁固結(jié)，4＃墩采用固定支座，其余采用單向活動(dòng)支座，支座形式均為盆式橡膠支座。整個(gè)橋跨結(jié)構(gòu)的布置如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置(單位:m)

1.2 有限元模型的建立

采用ANSYS有限元平臺(tái)建立全橋動(dòng)力學(xué)模型，整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)主要包括主梁和橋墩2部分，由于二者均為變截面，故均采用BEAM188單元模擬。主梁結(jié)構(gòu)采用C55混凝土，橋墩結(jié)構(gòu)采用C40混凝土。由于主橋?yàn)槎樟汗探Y(jié)的連續(xù)剛構(gòu)體系，故1＃，2＃號(hào)墩的墩頂與梁底部自由度完全耦合，而引橋?yàn)檫B續(xù)梁體系，故3＃，4＃和5＃的墩頂和梁底部除縱向自由度外其余自由度全部耦合，橋臺(tái)處約束豎向位移和橫豎向扭轉(zhuǎn)。整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

圖2 高墩橋動(dòng)力分析模型

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

基于ANSYS中的Modal模塊，采用Lanczos方法對(duì)該算例橋梁進(jìn)行動(dòng)力特性分析。該橋第1階振型為主橋縱向?qū)ΨQ振動(dòng)，第2階振型為主橋橫向振動(dòng)，第3階振型為引橋縱向振動(dòng)，第4階振型為全橋橫向振動(dòng)。從表1可以看出，由于主橋和引橋墩高的不同，二者動(dòng)力特性出現(xiàn)了顯著差異，主橋墩高較高，體系較柔，因此在一階振動(dòng)中只有主橋發(fā)生了縱向振動(dòng)。

表1 橋梁動(dòng)力特性

2 近斷層脈沖地震動(dòng)的選取

目前關(guān)于近斷層地震動(dòng)的定義還存在較大爭(zhēng)議。不少學(xué)者都采用斷層距Rrup作為近斷層地震動(dòng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，但是后來(lái)IERVOLINO等[9]的研究表明有很大一部分地震動(dòng)雖然距離斷層較近，但是其并不包含顯著的長(zhǎng)周期脈沖，不屬于脈沖地震動(dòng)。2007年，BAKER[10]提出了基于小波分析的近斷層脈沖地震動(dòng)識(shí)別方法，為近斷層脈沖地震動(dòng)的選取提供了一個(gè)量化標(biāo)準(zhǔn)。雖然該方法第一次實(shí)現(xiàn)了近斷層脈沖地震動(dòng)的量化識(shí)別，但是其對(duì)一部分地震動(dòng)需要進(jìn)行眼觀識(shí)別，從而判斷其脈沖特性。鑒于此，ZHAI等[1，11]提出了一種基于能量的近斷層脈沖地震動(dòng)識(shí)別方法，該方法不僅計(jì)算量小，而且誤判概率小，效率高。因此本文采用該方法來(lái)選擇近斷層脈沖地震動(dòng)，從而為高墩橋梁的地震響應(yīng)分析提供依據(jù)。

此外，由于近場(chǎng)地震動(dòng)的脈沖特性受震源機(jī)制的影響較大。對(duì)于不同的地震事件，由于斷層破裂機(jī)制、斷層上升時(shí)間和斷層破裂尺寸等復(fù)雜因素的影響，地震動(dòng)的脈沖特性可能差距較大。為了排除震源特性對(duì)地震動(dòng)造成的影響，本文采用ZHAI等提出的近斷層脈沖地震動(dòng)能量識(shí)別方法，從1999年臺(tái)灣集集地震中的地震記錄中分別選擇了10條脈沖和非脈沖地震記錄作為輸入地震動(dòng)，進(jìn)而研究近場(chǎng)地震動(dòng)脈沖特性對(duì)山區(qū)高墩橋梁地震響應(yīng)的影響。所選擇的脈沖和非脈沖地震動(dòng)詳細(xì)信息如表2和表3所示，PGA為0.6g，阻尼比ζ＝5%時(shí)地震記錄平均反應(yīng)譜如圖3所示。

表2 脈沖型地震記錄基本信息

表3 非脈沖型地震記錄基本信息

圖3 選擇的地震動(dòng)記錄平均反應(yīng)譜(ζ＝5%)

從圖3中可以看出:當(dāng)周期小于1 s時(shí)(即對(duì)于高頻部分)，脈沖型地震動(dòng)和非脈沖型地震動(dòng)的反應(yīng)譜均值基本重合，但是對(duì)于周期大于1 s的長(zhǎng)周期部分，脈沖型地震動(dòng)的反應(yīng)譜均值明顯要大于非脈沖型地震動(dòng)。這說(shuō)明由于脈沖效應(yīng)的影響，地震記錄的長(zhǎng)周期反應(yīng)譜被放大。

3 脈沖效應(yīng)對(duì)高墩橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響分析

為了研究脈沖效應(yīng)對(duì)山區(qū)高墩橋梁地震響應(yīng)的影響程度，將表2中的10條脈沖型地震記錄和表3中的10條非脈沖型地震記錄分別乘以調(diào)幅系數(shù)(Scale Factor，SF)保證其峰值加速度PGA均為0.6g，然后將其施加于全橋有限元模型，從而獲得橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。既往橋梁震害表明地震作用下主梁發(fā)生破壞的概率較小，橋梁的地震破壞主要以橋墩破壞為主。而圖1中的橋梁模型中主橋的橋墩較高，相鄰墩高差較大，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，其發(fā)生破壞的可能性最大。因此本章將對(duì)1＃和2＃墩的地震響應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)分析，詳細(xì)研究地震動(dòng)脈沖效應(yīng)對(duì)該橋墩的相對(duì)位移和墩底彎矩2個(gè)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)的影響。

圖4和圖5分別給出了脈沖(PTR)、非脈沖地震(NPTR)作用下1＃，2＃墩的相對(duì)位移、墩底彎矩峰值響應(yīng)。從圖4和圖5中可以看出近斷層脈沖效應(yīng)對(duì)算例橋梁的地震響應(yīng)有重要影響。以最高墩2＃墩為例，脈沖型和非脈沖型地震作用下2＃墩的墩頂位移平均值分別為37.5 cm和32.3 cm，墩底彎矩分別為10.14×106kN·m和8.38×106kN·m。與非脈沖地震作用相比，脈沖型地震動(dòng)激勵(lì)下，橋墩的墩頂位移和墩底彎矩分別增長(zhǎng)了16.1%和21.0%。同樣，對(duì)于1＃墩而言，近斷層脈沖地震作用下1＃墩的墩頂位移和墩底彎矩分別增長(zhǎng)了16.04%和17.24%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因從圖3中地震動(dòng)的反應(yīng)譜不難進(jìn)行解釋。該算例橋梁一階模態(tài)為1.323 s，在該位置處，脈沖型地震動(dòng)的平均反應(yīng)譜明顯要大于非脈沖地震動(dòng)的平均反應(yīng)譜，而該算例橋梁雖然為高墩橋梁，但是一階模態(tài)的振型質(zhì)量參與系數(shù)也達(dá)到了61.15%，一階振型的貢獻(xiàn)相對(duì)較大。這兩方面的原因?qū)е铝私鼣鄬用}沖效應(yīng)對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生顯著的放大效應(yīng)。

圖4 墩頂位移峰值響應(yīng)

圖5 墩底彎矩峰值響應(yīng)

4 結(jié)論

采用能量識(shí)別的方法從集集地震記錄中選擇了脈沖型和非脈沖型地震動(dòng)各10條，對(duì)一高墩大跨橋梁進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，研究了近斷層脈沖效應(yīng)對(duì)高墩橋梁地震響應(yīng)的影響。主要結(jié)論如下:

1)高墩橋梁主橋和引橋之間動(dòng)力特性相差較大，地震作用下二者存在明顯的不同步振動(dòng)，從而導(dǎo)致其很容易發(fā)發(fā)生嚴(yán)重的碰撞；

2)近斷層脈沖地震動(dòng)中速度脈沖對(duì)長(zhǎng)周期段的反應(yīng)譜存在顯著的放大效應(yīng)，從而使得在長(zhǎng)周期段脈沖地震動(dòng)的反應(yīng)譜明顯要高于非脈沖地震動(dòng)的反應(yīng)譜；

3)近斷層脈沖效應(yīng)將會(huì)顯著增大高墩橋梁的地震響應(yīng)，相同的峰值加速度下，最大改變率可達(dá)到21.0%，近斷層地區(qū)的橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮近斷層脈沖效應(yīng)的不利影響。