葛志剛

(福建億達(dá)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，三明 365000)

通過對(duì)汶川地震、 伊朗巴姆等多起嚴(yán)重自然地震災(zāi)害分析可知，該類地震波均具有明顯的長周期特性。長周期地震波對(duì)自振周期較長的結(jié)構(gòu)(如隔震建筑[1]、長柔橋梁、附加阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物)或深厚、軟弱且松散的場地土破壞尤其顯著。 其主要是因?yàn)檫h(yuǎn)場長周期地震波在這種情況下會(huì)進(jìn)一步放大長周期的地震頻譜成分， 造成結(jié)構(gòu)自振周期延長、阻尼增加、地震響應(yīng)發(fā)生變化等。因此，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)， 不僅要考慮樁-土結(jié)合作用(Pile-Soil-Interaction，簡稱“PSI”)，還要考慮遠(yuǎn)場長周期地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響。查閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)：目前大部分的學(xué)者研究主要集中在近場地震波對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響規(guī)律，而關(guān)于遠(yuǎn)場長周期地震波對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)(有無考慮PSI 效應(yīng)、減隔震裝置)的抗震性能影響研究鮮為報(bào)道。

綜合上述分析，本文以某多跨連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，選取普通地震波與遠(yuǎn)場長周期地震波(具有明顯脈沖效應(yīng))共10 條作為地震輸入波，對(duì)比分析在不同支座(鉛芯橡膠支座、板式橡膠支座)類型、有無考慮樁-土結(jié)合作用下的地震響應(yīng)差異性， 并深入探討了遠(yuǎn)場長周期地震動(dòng)對(duì)隔震橋梁的動(dòng)力響應(yīng)影響規(guī)律。

1 有限元模型的建立

1.1 分析模型

某四跨一聯(lián)的連續(xù)梁橋跨徑布置為120 m=4×30 m，上部主梁采用5 片單箱單室箱型變截面， 梁高1.6 m，頂板寬3.75 m，橋墩采用鋼筋混凝土雙柱式。上部箱梁均采用C50 混凝土、墩身采用C40 混凝土、橋梁樁基采用C30混凝土，其三維有限元模型如圖1 所示。

圖1 三維有限元模型布置圖

1.2 支座設(shè)置

為探析在遠(yuǎn)場長周期地震動(dòng)作用下有無安設(shè)隔震裝置對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)差異性， 在支座模擬方面分別考慮2 種模型：①非隔震橋梁：在3# 墩的墩頂設(shè)置縱向固定支座，其余4 個(gè)橋墩均設(shè)活動(dòng)支座。②設(shè)置鉛芯橡膠支座隔震模型： 根據(jù) 《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》(JT/T822-2011)[2]在1＃ 和5＃ 蓋 梁 相 應(yīng) 位 置 處 布 置HDRD300-H/8 鉛芯橡膠支座，2#～4# 墩頂布設(shè)HDR(I)-D400-G8/8 鉛芯橡膠支座。 支座的性能參數(shù)詳見表1。

表1 支座參數(shù)

2 地震波頻譜特性對(duì)比

分別選取Taft 波、Elcentro 波、DLT352 波和1 條人工合成波作為普通地震波；選取CHY093、ILA056、ILA004、KAU015、TAP012 和TCU110 作為遠(yuǎn)場長周期地震波。 表2 為6 條遠(yuǎn)場長周期地震波的基本信息， 在計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析時(shí)，將10 條地震波的峰值加速度峰值均調(diào)整為2 m/s2， 調(diào)整后的遠(yuǎn)場長周期地震波和普通地震波波形如圖2～3。

表2 地震波參數(shù)信息

圖2 普通地震波加速度時(shí)程圖

圖3 遠(yuǎn)場長周期地震波加速度時(shí)程圖

由圖2 普通地震波加速度時(shí)程曲線圖可以看出，該類型地震波記錄持時(shí)較短，且并無明顯的簡諧特性；從圖3 時(shí)程圖可以明顯看出遠(yuǎn)場類諧和地震波不僅具有周期長、持時(shí)長特征，且ILA004 與ILA056 這兩條地震波具有很顯著的簡諧特性。

圖4 普通地震波加速度譜

圖5 遠(yuǎn)場長周期地震波加速度譜

圖4～5 分別為普通地震波與遠(yuǎn)場長周期地震波加速度反應(yīng)譜。 從圖4 中可看出，4 條普通地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范譜基本吻合。 相對(duì)于圖5，6 條遠(yuǎn)場長周期地震波的加速度反應(yīng)譜峰值明顯大于規(guī)范譜， 并且遠(yuǎn)場長周期地震波的頻譜成分明顯大于普通地震波，部分遠(yuǎn)場長周期地震波的加速度反應(yīng)譜還出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象。 說明遠(yuǎn)場長周期地震波對(duì)于周期較長的高墩橋梁結(jié)構(gòu)或一般的隔震橋梁結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生共振效應(yīng)， 對(duì)結(jié)構(gòu)造成更嚴(yán)重的破壞。

3 隔震原理

減隔震裝置主要是通過將結(jié)構(gòu)與可能引起破壞的場地運(yùn)動(dòng)盡可能分開，從而降低結(jié)構(gòu)的破壞程度?？赏ㄟ^延長結(jié)構(gòu)的基本周期，避開地震能量過于集中，從而降低結(jié)構(gòu)的地震力。但通過延長結(jié)構(gòu)自振周期達(dá)到折減地震力，必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移偏大。為了控制變形過大，可通過在結(jié)構(gòu)中增設(shè)阻尼裝置，以增加結(jié)構(gòu)的阻尼效應(yīng)，從而在折減結(jié)構(gòu)位移的同時(shí)降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力加速度。

合理的橋梁隔震系統(tǒng)應(yīng)具有以下3 點(diǎn)功能[3]：①一定的柔度，可延長結(jié)構(gòu)周期，降低地震力；②耗能能力(阻尼、耗能裝置)：降低位移變形量；③一定的剛度、屈服力：在正常使用荷載下(如風(fēng)，制動(dòng)力等)結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈服等各種震害。

鉛芯橡膠支座(LRB)能較好地滿足這三點(diǎn)要求，其鉛芯提供了地震力的耗能和正常使用荷載下所必需的屈服強(qiáng)度與剛度，在較低水平力作用下，因具有較高的初始剛度，其變形很?。辉诘卣鹱饔孟?，由于鉛芯的屈服，一方面耗散地震能量，另一方面，剛度降低，達(dá)到延長結(jié)構(gòu)周期的目的。

4 樁-土結(jié)構(gòu)相互作用原理

如圖6 所示， 考慮樁-土結(jié)合作用模型是在Penzien模型基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步改進(jìn)而成的。用集中質(zhì)量法將樁-土系統(tǒng)離散為質(zhì)量--彈簧系統(tǒng)時(shí)，采用以下假定：①在同一水平層土壤為各向同性線彈性體， 但不同層土壤性質(zhì)是不相同的；②側(cè)向土的性質(zhì)在2 個(gè)正交方向彼此無關(guān)；③土壤的抗力在軸向、側(cè)向和扭轉(zhuǎn)方向不耦合，且屬于小位移問題；④用等代土彈簧來反映土層的恢復(fù)力，其剛度用“m”法計(jì)算[4-6]。

圖6 樁-土結(jié)合作用模型

本文樁單元采用梁單元模擬， 將土體對(duì)整個(gè)樁的水平抗力轉(zhuǎn)化為彈簧單元對(duì)梁單元個(gè)別節(jié)點(diǎn)的水平抗力，從而計(jì)算出水平彈簧的剛度系數(shù)為kx=b0leym。

5 結(jié)果分析

5.1 動(dòng)力特性分析

分別對(duì)考慮PSI 效應(yīng)和墩底固結(jié)兩種情況進(jìn)行隔震前后的動(dòng)力特性分析，前三階自振周期對(duì)比見表3。

表3 隔震前后動(dòng)力特性對(duì)比

由表3 可知，設(shè)置隔震支座后結(jié)構(gòu)周期明顯變長，這說明安裝隔震支座后結(jié)構(gòu)剛度變?nèi)幔?可有效延長結(jié)構(gòu)的自振周期； 有考慮PSI 效應(yīng)的自振周期明顯比沒有考慮長；由地震反應(yīng)譜曲線可知，結(jié)構(gòu)的自振周期延長后，上部結(jié)構(gòu)的加速度值逐漸減小，使得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值也減小；且增設(shè)隔震支座后，結(jié)構(gòu)的各階振型也發(fā)生了變化，結(jié)構(gòu)的第一階振型由主梁的豎向彎曲變?yōu)榭v向彎曲。

5.2 地震響應(yīng)值分析

為明確長周期地震動(dòng)作用下隔震橋梁地震反應(yīng)的特點(diǎn)，本文對(duì)比非隔震與隔震橋梁分別在普通、遠(yuǎn)場長周期地震作用下的響應(yīng)值。分別以3#橋墩的墩頂變形量作為橋墩的位移控制值，墩底單元的剪力、彎矩值作為橋墩內(nèi)力響應(yīng)值。 表4～5 為不同類型橋梁結(jié)構(gòu)在縱向地震動(dòng)作用下的橋墩控制截面響應(yīng)值。

由表4 數(shù)值可知，在普通地震動(dòng)作用下：設(shè)置鉛芯橡膠支座的墩底剪力及彎矩值最大隔震率分別達(dá)到52.0%與71.5%， 可見隔震效果極其顯著； 在長周期地震作用下，TCU110 波的剪力隔震率僅為5.2%，其他波作用下橋墩內(nèi)力隔震率與普通波基本一致。因此，與普通地震動(dòng)相比，在長周期地震動(dòng)作用下，安設(shè)減隔震裝置的橋梁內(nèi)力響應(yīng)值有一定幅度的減小。

表4 橋墩內(nèi)力響應(yīng)值

表5 橋梁支座位移

由表5 數(shù)值分析結(jié)果可知，對(duì)于隔震橋梁，無論受到何種地震波或是否考慮PSI 效應(yīng)， 其位移都比沒有隔震模型位移大。在不考慮PSI 效應(yīng)的情況下：當(dāng)普通地震動(dòng)作用下，墩頂位移是非隔震的2.01 倍；長周期地震動(dòng)下，支座位移是非隔震的2.55 倍。而考慮PSI 效應(yīng)情況下：在普通地震動(dòng)作用下，墩頂位移是非隔震的1.75 倍；長周期地震動(dòng)下，支座位移是非隔震的3.82 倍。 由此可見在長周期地震動(dòng)作用下， 隔震橋梁主要通過隔震支座破壞而耗散大部分的能量，從而降低結(jié)構(gòu)破壞程度。另一方面可以看出， 無論是否考慮PSI 效應(yīng)， 在普通地震動(dòng)作用下，橋墩控制截面的位移量基本一致；而在遠(yuǎn)場長周期地震動(dòng)作用下， 考慮PSI 效應(yīng)的支座位移總是大于不考慮PSI 效應(yīng)。

綜合上述分析可知， 隔震裝置是通過支座破壞以達(dá)到消耗地震能量來降低橋梁的破壞程度。 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)， 對(duì)于減隔震橋梁僅考慮常規(guī)地震動(dòng)的影響是不全面的，應(yīng)考慮長周期地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性能影響。

圖7～9 為代表性地選擇遠(yuǎn)場長周期地震波、 普通地震波、人工地震波，分別在考慮PSI 效應(yīng)或墩底固結(jié)情況下，隔震橋梁模型橋墩控制截面位移、墩底彎矩和剪力的地震響應(yīng)時(shí)程對(duì)比圖。

圖7 El centro 地震波下PSI 與墩底固結(jié)的隔震橋梁地震響應(yīng)時(shí)程圖

圖8 人工地震波下PSI 與墩底固結(jié)的隔震橋梁地震響應(yīng)時(shí)程圖

圖9 ILA004 地震波下PSI 與墩底固結(jié)的隔震橋梁地震響應(yīng)時(shí)程

從圖7 可以看出，在El centro 地震波下，墩底固結(jié)模型比考慮PSI 內(nèi)力響應(yīng)值大，且數(shù)值差異較大，墩底固結(jié)模型比考慮PSI 的墩底剪力、 彎矩和位移峰值分別大123.7%、144.0%和310.0%。 由此可見按照墩底固結(jié)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)過于偏保守而造成浪費(fèi)，不可取。從圖8～9 可以看出， 在人工合成波或ILA004 不同類型地震波作用下，墩底按固結(jié)計(jì)算模型均比考慮PSI 模型地震響應(yīng)值小，其中墩底剪力值分別小26.4%和34.0%、 彎矩值分別小19.6%和33.7%、位移值小1.0%和31.3%。 不難看出在人工波或ILA004 波作用下，將墩底按固結(jié)方式進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是偏頗的，應(yīng)當(dāng)考慮PSI 效應(yīng)。

綜合上述分析可知，在不同類型的地震波作用下，墩底按固結(jié)方式計(jì)算或考慮PSI 的地震響應(yīng)值計(jì)算結(jié)果規(guī)律截然相反。 因此，在實(shí)際梁橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮PSI效應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于偏安全或安全系數(shù)不滿足要求，均不可取。

5 結(jié)論

(1)在遠(yuǎn)場長周期地震波作用下，不論有無考慮樁-土相互作用，隔震裝置在連續(xù)梁橋中均能起到隔震作用，從而有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(2)在普通地震波作用下，連續(xù)梁橋墩底按固結(jié)方式計(jì)算的地震響應(yīng)值遠(yuǎn)高于考慮樁-土結(jié)合作用的內(nèi)力值。

(3)在人工合成波或遠(yuǎn)場長周期地震波作用下，考慮樁-土結(jié)合作用計(jì)算的橋墩內(nèi)力值或位移值均比按固結(jié)模擬方式響應(yīng)值大。

(4)實(shí)際梁橋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確模擬樁-土效應(yīng)對(duì)連續(xù)梁橋的抗震性能影響， 避免結(jié)構(gòu)在不同類型的地震波作用下， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于偏保守或安全系數(shù)不滿足相關(guān)要求，從而影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能。