陳曦

（安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

地球物理學(xué)和地震學(xué)研究表明，近斷層地震具有兩種特殊的特征效應(yīng)，分別為破裂方向性效應(yīng)（Forwarddirectivity effect）和滑沖效應(yīng)（Fling-step effect）。地震斷層的破裂一般是從斷層上的某一點或者某一區(qū)域開始，而后逐漸向外擴展，因而斷層的破裂擴展具有一定的傳播過程，當(dāng)斷層沿著某一優(yōu)勢方向以接近于震源區(qū)地殼介質(zhì)剪切波速的速度破裂傳播時，在地震觀測數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)明顯的方向性特征。速度脈沖型地震動分為由破裂傳播的多普勒效應(yīng)引起的地震動向前方向性速度脈沖和由斷層的滑沖效應(yīng)引起的地震動滑沖效應(yīng)速度脈沖兩類，破裂方向性效應(yīng)速度脈沖主要發(fā)生于垂直于斷層面的方向，而滑沖效應(yīng)速度脈沖發(fā)生在斷層的滑動方向?；瑳_效應(yīng)一般使地震動速度時程中出現(xiàn)單向脈沖，而向前方向效應(yīng)一般表現(xiàn)為雙向或多向速度脈沖。

這兩種產(chǎn)生機制的速度脈沖效應(yīng)會顯著影響橋梁的地震響應(yīng)規(guī)律，因此，本文將基于非線性動力時程分析，深入研究具備破裂方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)的近斷層地震動對大跨徑網(wǎng)狀拱橋地震響應(yīng)規(guī)律的影響，并與遠(yuǎn)場地震動進行對比分析。

2 破裂方向性效應(yīng)與滑沖效應(yīng)

2.1 近斷層破裂的方向性效應(yīng)

破裂的方向性效應(yīng)與斷層的破裂方向和速度、斷層面的滑動方向和位錯的分布、斷層的傾角、觀測點的位置等因素有關(guān)。當(dāng)斷層的傾角很大時，方向性效應(yīng)主要表現(xiàn)在垂直于斷層走向的方向；當(dāng)斷層的傾角很小時，方向性效應(yīng)則主要表現(xiàn)在地震動的垂直分量上。方向性效應(yīng)可根據(jù)斷層破裂方向與場地的關(guān)系分為前方向性效應(yīng)、后方向性效應(yīng)和中性方向性效應(yīng)。因為一般認(rèn)為地震動受前方向性效應(yīng)影響時將加重工程結(jié)構(gòu)的破壞，且是脈沖型地震動產(chǎn)生的主要原因之一，通常所提及的方向性效應(yīng)均指前方向性效應(yīng)。

2.2 滑沖效應(yīng)

滑沖效應(yīng)是指斷層上下兩盤由于相對運動使得地震動的速度時程中出現(xiàn)單方向半脈沖進而導(dǎo)致地面出現(xiàn)階躍式不可恢復(fù)位移的特性，一般激起結(jié)構(gòu)體系的基本振型響應(yīng)。一般認(rèn)為滑沖效應(yīng)對長周期結(jié)構(gòu)的影響大于向前方向性效應(yīng)。

3 工程案例研究

3.1 工程概況

本文選取主跨為190m 的下承式大跨徑鋼箱提籃網(wǎng)狀拱橋作為研究對象（以下簡稱算例橋梁）主橋橋型布置圖見圖1所示，研究近場地震的破裂方向性效應(yīng)與滑沖效應(yīng)對大跨徑網(wǎng)狀拱橋地震響應(yīng)規(guī)律的影響。

圖1 算例橋梁的橋型布置圖

3.2 非線性抗震有限元模型

采用通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件SAP2000 進行算例橋梁地震響應(yīng)分析。在建立算例橋梁抗震有限元模型時，以順橋向為X 軸，橫橋向為Y 軸，豎向為Z 軸。其中，主梁、主拱圈、橋墩均離散為空間梁單元；主梁采用單梁式力學(xué)模型；拱橋吊桿采用空間桁架單元，考慮垂度效應(yīng)和二階效應(yīng)；支座采用連接單元模擬，并采用雙線性本構(gòu)模型。承臺模擬為質(zhì)點，并且承臺和樁基頂部節(jié)點采用主從連接。樁基礎(chǔ)采用一個6×6 集中土彈簧模型模擬土—樁基—橋梁結(jié)構(gòu)的動力共同作用，該橋抗震有限元模型見圖2。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.03。

圖2 算例橋梁抗震有限元分析模型

首先，采用Ritz 向量法分析了橋梁結(jié)構(gòu)的前600階振型，其中前3 階自振周期與振型特征分別為：第一階：1.235 s，拱肋一階對稱橫彎；第二階：0.798 s，主梁-拱肋一階縱飄；第三階：0.693 s，左側(cè)引橋?qū)ΨQ縱飄。

3.3 地震波輸入

本文分別選取了具有明顯破裂方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)的近場地震動實測記錄各一條作為輸入地震波，其中，含破裂方向性效應(yīng)的地震波編號為FD，滑沖效應(yīng)為FS。同時，選取了一條實測遠(yuǎn)場地震波，編號為FF，三條地震波的反算反應(yīng)譜如圖3所示。由于譜加速度能夠較好地反映地震動強度對于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，故將三條地震波在縱向質(zhì)量參與系數(shù)最大一階振型對應(yīng)的譜加速度調(diào)到同一水平，以水平向+豎向作為地震動輸入方向，進行非線性動力時程分析。

圖3 調(diào)幅后所選地震波反應(yīng)譜對比圖

3.4 地震響應(yīng)非線性動力時程分析

算例橋梁關(guān)鍵控制截面包括過渡墩墩底截面與拱腳截面共8 個截面，截面位置如圖4所示。本文選擇縱橋向地震響應(yīng)為例進行對比分析，具體見表格1 和表2。

表2 各控制截面地震響應(yīng)位移值

圖4 算例橋梁關(guān)鍵控制截面位置示意圖

對比分析表1和2 可知，在同一地震動強度水平下，破裂方向性效應(yīng)顯著增大了軸力與彎矩值，滑沖效應(yīng)次之，無脈沖特性的遠(yuǎn)場地震波對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響最小；對于縱橋向結(jié)構(gòu)位移，無論在梁端處還是拱頂處，均為縱向位移最大，橫向位移最小，且滑沖效應(yīng)作用下的結(jié)構(gòu)位移最大。對比分析關(guān)鍵控制截面地震響應(yīng)內(nèi)力值與位移值可知，即使具有相同的地震動強度水平，具有滑沖效應(yīng)和破裂方向性效應(yīng)的近場地震波也會顯著增加大跨徑網(wǎng)狀拱橋的地震響應(yīng)。其中，破裂方向性效應(yīng)對網(wǎng)狀拱橋的截面內(nèi)力響應(yīng)影響最大，而滑沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)位移影響更為顯著，遠(yuǎn)場地震動的影響最小。

表1 各控制截面地震響應(yīng)內(nèi)力值

4 結(jié)論

本文選擇了一座主跨為190m 的下承式大跨徑鋼箱提籃網(wǎng)狀拱橋作為研究對象，建立相應(yīng)的非線性抗震有限元模型，分別選擇具有破裂方向性效應(yīng)與滑沖效應(yīng)的實測地震波以及遠(yuǎn)場地震波各一條，采用縱橋向質(zhì)量參數(shù)系數(shù)最大一階振型對應(yīng)的譜加速度作為地震動強度參數(shù)，通過調(diào)幅將該譜加速度調(diào)整到同一強度水平，采用縱橋向+豎向的地震動輸入方向，進行非線性動力時程分析，對比分析三條地震波作用下算例橋梁各關(guān)鍵截面和節(jié)點的地震響應(yīng)，可以獲得以下結(jié)論：

（1）在同一地震動強度水平下，具有破裂方向性效應(yīng)的近場地震波會顯著增加大跨徑網(wǎng)狀拱橋的地震內(nèi)力響應(yīng)；

（2）在同一地震動強度水平下，具有滑沖效應(yīng)的近場地震波會顯著增加大跨徑網(wǎng)狀拱橋的地震位移響應(yīng)；

（3）在同一地震動強度水平下，近場地震波由于不具有脈沖特性，其產(chǎn)生的地震響應(yīng)最小。