童登國

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 近活動斷層地震

為了深入研究近活動斷層效應對鐵路大跨度橋梁抗震性能的影響，根據(jù)近活動斷層地震時程的特征，選定擬建的某進藏鐵路一座上承式鋼桁拱橋方案，對其進行非線性時程反應分析，探索近活動斷層效應對鐵路大跨度拱橋的受力影響規(guī)律及控制因素。

1.1 近活動斷層地震的危害

我國是世界上地震活動較為強烈的國家之一。尤其是近幾十年來，全球發(fā)生的多次破壞性地震靠近城市，造成非常嚴重的生命財產(chǎn)損失。其重要原因就是作為生命線工程的橋梁結(jié)構(gòu)在地震中遭到嚴重破壞，切斷交通，給救災工作帶來巨大困難。

而在近活動斷層地區(qū)，地震的破壞力往往成倍增加。由于橋梁損毀、山體滑坡和墜石造成道路阻斷，更增加了地震應急救援的難度。比如1999年臺灣集集地震和2008年的汶川地震，其引發(fā)的次生災害，使交通基礎設施嚴重損毀，近活動斷層和震中地區(qū)多數(shù)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村對外交通一度完全中斷。據(jù)初步判斷，其中損毀較為嚴重的橋梁距離主發(fā)震斷層或斷裂大多在20km范圍內(nèi)。

目前，在我國西部開發(fā)戰(zhàn)略中，進藏的鐵路和高速公路即將開始建設，將進入滇西北、藏東南及川西等高烈度地震區(qū)，且將出現(xiàn)大量高墩大跨橋梁結(jié)構(gòu)。這些大跨結(jié)構(gòu)及新型橋梁已超出我國現(xiàn)行鐵路工程、公路工程橋梁抗震設計規(guī)范的適用范圍；我國在臨近活動斷裂帶建設大型橋梁的實踐也不足；目前的抗震設計理論和抗震措施中的許多技術(shù)問題，如標準、計算方法、構(gòu)造措施等需要進行研究和探索。因此，近活動斷層地震大型復雜橋梁的抗震設計研究勢在必行。

1.2 近活動斷層地震的基本特征

地震所引起的地表地震動峰值加速度是地震災害的基本要素，它與地質(zhì)條件、地形條件密切相關(guān)。目前我們的抗震設計中采用的場地地震動峰值加速度時程，一般是先根據(jù)潛在震源區(qū)、地震活動性參數(shù)及地震動參數(shù)衰減關(guān)系，利用概率分析方法，對工程場地進行地震危險性計算，得出工程場地不同概率水準下的基巖水平地震加速度峰值；然后再考慮局部場地條件的影響，計算場地地表處地震反應的地震動加速度時程和反應譜值，作為建筑物抗震設計的依據(jù)。在影響地震動的主要因素中，考慮了震源機制、地震波傳播路徑和場地條件，但無法反映近活動斷層地震動速度脈沖和長周期等重要特征。

根據(jù)近年來對近活動斷層強震的觀測資料、地震過程的反演和近活動斷層地震動的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)近活動斷層地震動的基本特征主要有：①近活動斷層強地震動的集中性；②地表破裂和永久位移；③破裂的方向性效應；④近活動斷層的速度大脈沖。

1.3 近活動斷層地震分析方法

本文建議在距離活動斷裂帶20km范圍內(nèi)大跨度橋梁，應在采用普通地震時程波進行分析的基礎上，以速度脈沖作為地震輸入，考察大跨度橋梁在近活動斷層地震動下的響應。即對于近活動斷層橋梁，在3條貼合規(guī)范反應譜的地震波基礎上，從收集的實測近斷層地震動波庫中，按照場地類型、橋址和斷層的距離等，在波庫中選擇類似的3條(或7條)近斷層地震波，取橋梁在3條(或7條)地震波下的最大(平均)響應作為橋梁在近活動斷層作用下的最終響應。近活動斷層區(qū)域的橋梁抗震需同時滿足常規(guī)抗震規(guī)范要求和近活動斷層特殊地震動的抗震要求。

2 有限元模型的建立

2.1 模擬算例概況

以擬建的某進藏鐵路一座大跨度上承式鋼桁拱橋梁方案作為分析算例。該橋橋式方案采用主跨280m鋼桁拱橋，矢跨比4.29(圖1)。

圖1 擬建的上承式鋼桁拱橋方案立面(算例)

拱肋采用Q500qE，聯(lián)結(jié)系采用Q420qD。拱上立柱采用鋼桁結(jié)構(gòu)，立柱間距37.5m，交界墩采用混凝土橋墩。主拱拱頂桁高6m，橫向間距9m，拱腳桁高10m，橫向間距20m。拱肋截面尺寸1.8m×2.0m。拱上粱部結(jié)構(gòu)采用跨徑8×37.5m鋼-混結(jié)合連續(xù)梁，在每個主梁和鋼立柱之間布置四個支座。橋址區(qū)設計地震峰值加速度0.20g，周期0.45s。距離橋址區(qū)約7km處存在一潛在活動斷裂帶。

2.2 有限元模型

大跨度鐵路橋梁抗震設計應采用兩級抗震設防，兩階段設計方法，其基本性能目標應滿足“中震不壞、大震可修”。中震，即E1地震作用，采用50a內(nèi)超越概率10 %，地震重現(xiàn)期為475a；大震，即E2地震作用，采用50a內(nèi)超越概率2 %，地震重現(xiàn)期為2 475a。

采用通用有限元軟件建立橋梁動力計算模型，采用非線性時程分析法對E1地震作用、E2地震作用進行分析。整體計算模型如圖2所示。

圖2 擬建的上承式鋼桁拱橋方案抗震計算模型

2.2.1 單元類型

拱肋：對于拱肋中的鋼材，采用彈性梁單元模擬。

拱肋橫撐、立柱：在E2地震作用下，橋墩柱、拱肋橫撐、拱上立柱等構(gòu)件可能會首先材料屈服而進入材料彈塑性工作階段，因此需考慮這些構(gòu)件的非線性，可通過集中塑性鉸模型。

主梁(橋道梁)：在對橋梁結(jié)構(gòu)進行設計時，要求上部結(jié)構(gòu)在E1、E2地震中始終處于彈性狀態(tài)。因此，采用彈性梁單元模擬主梁。

結(jié)構(gòu)自重、二期恒載等均作為集中質(zhì)量施加。

2.2.2 材料非線性本構(gòu)關(guān)系

拱肋橫撐、立柱中鋼材以及混凝土中鋼筋，采用雙線性各向同性硬化模型本構(gòu)關(guān)系曲線，根據(jù)材料的屈服強度設置空間塑性鉸模型。

2.2.3 邊界條件

當基礎發(fā)生破壞時，修復難度和成本均非常大，通常將拱肋基礎設計成地震時不破壞，即認為拱腳約束處理為固結(jié)。

拱上梁結(jié)構(gòu)與拱上立柱采用橫、豎向耦合的方法進行模擬。

2.3 結(jié)構(gòu)動力特性計算

該上承式鋼桁拱橋方案模態(tài)振型分析結(jié)果如表1和圖3所示。該橋基本自振周期較大，第一階自振周期為2.13s，對應的振型為梁拱對稱橫彎。基本振型周期與近場地震動卓越周期較為接近，因此近場地震響應可能會比較強烈。

表1 擬建的上承式鋼桁拱橋方案前六階自振特性

(a)第一階f=0.470Hz主拱一階橫向

3 地震動輸入?yún)?shù)的選取

與遠場地震相比，近活動斷層地震動具有長周期、速度脈沖等顯著特征。為了對比近場地震及遠場地震對大跨度上承式拱橋的不同影響程度，現(xiàn)針對相同的場地條件合成或選擇不同的地震動時程。

3.1 遠場地震動時程的合成

上承式鋼桁拱橋結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.02，依據(jù)GB50111-2006《鐵路工程抗震設計規(guī)范》中的反應譜曲線人工合成三組遠場地震動加速度時程(圖4)。

(a)設計加速度反應譜

3.2 近場地震動時程的選擇

擬建橋梁場地類別為Ⅱ類，選取的三條近活動斷層地震波為臺灣集集地震實測波(圖5)。近場地震波基本參數(shù)如表2所示。E1地震動水平加速度峰值調(diào)整至0.2g，E2地震水平加速度峰值調(diào)整至0.38g。豎向地震動加速度峰值相應調(diào)整為水平向的0.67倍。

表2 選取的近場地震波基本參數(shù)

(a)TCU068時程波

4 近遠場地震響應規(guī)律對比研究

依據(jù)生成的三組遠場地震動人工波及選擇不同的地震動時程，計算地震響應結(jié)果提取最大值。動力計算工況如表3所示。

表3 橋梁抗震計算工況

4.1 近遠場地震位移響應對比

對比該上承式鋼桁拱橋在近、遠場地震有車工況整體位移，由表4所示可以看出：

(1)近遠場地震作用下，最大變形的分布形式相近。

(2)遠場E2地震作用下，順橋向最高的鋼立柱墩頂變形最大，最大變形為0.33m，橫橋向拱頂變形較大，最大變形為0.35m，拱肋最大豎向變形發(fā)生在3/8截面處，約為0.18m；而在近場E2地震作用下，順橋向最高的鋼立柱墩頂變形最大，最大變形為0.78m，橫橋向拱頂變形較大，最大變形為0.89m，拱肋最大豎向變形發(fā)生在3/8截面處，約為0.24m；相同地震動峰值加速度情況下，考慮其近活動斷層效應對橋梁的位移計算影響很大。

表4 該上承式鋼桁拱橋在近、遠場地震作用下的最大位移響應 m

4.2 近遠場地震內(nèi)力應力響應對比

4.2.1 構(gòu)件名義應力分布

分析該上承式鋼桁拱橋在近、遠場地震有車工況下的構(gòu)件名義應力分布可以看出：

(1)拱肋上最大應力發(fā)生在拱頂和拱腳。

(2)拱肋豎腹桿應力水平也較高，其應力極值發(fā)生在立柱與拱圈連接處以及拱腳位置，其中中立柱與拱圈連接處的應力最大。

(3)拱肋斜腹桿最大應力出現(xiàn)在近拱腳處。平聯(lián)橫桿和平聯(lián)斜桿最大應力出現(xiàn)在1/4拱圈處。

4.2.2 構(gòu)件名義應力值

對比該上承式鋼桁拱橋在近、遠場地震有車工況構(gòu)件名義應力，由表5可以看出：

(1)遠場E2地震動作用下，鋼立柱最大應力489MPa，拱腳處弦桿最大應力416MPa，拱肋弦桿(除拱腳處)最大應力430MPa，拱肋腹桿最大應力247MPa，平聯(lián)桿最大應力185MPa，鋼立柱帽梁最大應力503MPa。

(2)近場E2地震動作用下，鋼立柱最大應力788MPa，拱腳處弦桿最大應力596MPa，拱肋弦桿(除拱腳處)最大應力639MPa，拱肋腹桿最大應力345MPa，平聯(lián)桿最大應力335MPa，鋼立柱帽梁最大應力763MPa；相同地震動峰值加速度情況下，考慮其近活動斷層效應對橋梁的名義應力計算影響很大。

表5 該上承式鋼桁拱橋在近、遠場地震作用下的最大應力對比 MPa

5 結(jié)論

本文旨在探索近活動斷層地震的顯著特征及對大跨度橋梁受力的影響規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)以往地震災害調(diào)研，距離主發(fā)震斷層或斷裂在20km范圍內(nèi)橋梁損毀較為嚴重，抗震設計時應重點關(guān)注其近活動斷層效應影響。

(2)近活動斷層區(qū)橋梁抗震設計方法。應在3條(7條)貼合規(guī)范反應譜的地震波基礎上，從收集的實測近斷層地震動波庫中，按照場地類型、橋址和斷層的距離等，在波庫中選擇類似的3條(或7條)近斷層地震波，取橋梁在3條(或7條)地震波下的最大(平均)響應作為橋梁在近活動斷層作用下的最終響應；近活動斷層區(qū)域的橋梁抗震需同時滿足常規(guī)抗震規(guī)范要求和近活動斷層特殊地震動的抗震要求。

(3)近、遠場地震結(jié)構(gòu)響應規(guī)律。與遠場地震相比，近活動斷層地震動具有長周期、速度脈沖等顯著特征。大跨度拱橋在近活動斷層地震動作用下響應更大。相同地震峰值加速度和場地條件下的近、遠場地震分析對照，近活動斷層地震對拱橋明顯不利，易控制抗震設計，應重點關(guān)注。

(4)從該橋算例分析來看，對于近活動斷層拱橋的鋼立柱、拱頂上下弦桿、拱肋腹桿、平聯(lián)橫桿名義應力均最大，在E2地震作用下組合應力遠超過材料屈服應力，應通過采取合理設置減隔震措施和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計予以解決。