鄧 寧，魏 煒，王 晶，鄧 君

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

在我國的云南、西藏和四川部分地區(qū)由于靠近地震斷裂帶，部分橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地要跨越斷層建造。近場地震動(dòng)和普通地震動(dòng)相比，會(huì)明顯放大橋梁的動(dòng)力響應(yīng)[1]，因此在這種情況下如何保證橋梁有足夠的抗震能力成了首要解決的問題。

目前，已有一部分學(xué)者對近場地震動(dòng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)做了相關(guān)研究，李小珍[2]等探討了某五跨兩聯(lián)橋在近場滑沖型地震動(dòng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征。黃佳梅等[3]通過IDA分析方法對某五跨梁橋在近場地震動(dòng)下的時(shí)變易損性進(jìn)行了探討。徐天妮[4]研究結(jié)果表明橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)和場地類型以及震源機(jī)制息息相關(guān)，地震波應(yīng)綜合考慮多種因素來選取。藍(lán)先林等[5]對懸索橋在近場地震動(dòng)下的動(dòng)力響應(yīng)做了研究，結(jié)果表明近場脈沖型地震產(chǎn)生的位移最大。

由于相關(guān)規(guī)范并沒有明確給出應(yīng)對斷層附近或跨越斷層的抗震設(shè)計(jì)方法，為此，本文選取了某高墩剛構(gòu)-連續(xù)梁橋工程實(shí)例并使用OpenSees軟件對全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬，采用了模擬碰撞行為較為精確且全面的赫茲-阻尼模型，通過不同類型地震動(dòng)來對比分析剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的動(dòng)力響應(yīng)的變化。

1 工程概況及有限元模型建立

本算例為剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系，主橋?yàn)?50+90+50) m的連續(xù)剛構(gòu)橋；引橋?yàn)?25+25+25) m的連續(xù)梁橋，引橋總長度為75 m。具體主橋和引橋的橋墩編號如下頁圖1所示。主橋橋墩及過渡墩截面形式為空心矩形截面，引橋采用實(shí)心圓形雙柱墩。引橋中靠近過渡墩一側(cè)使用固定盆式支座連接，其余均采用活動(dòng)盆式支座。

在OpenSees軟件建模中，主梁模擬采用彈性梁柱單元。墩柱采取了纖維截面來模擬充分考慮其非線性特性，使用了基于力的非線性梁柱單元(Force-based Beam-column Element，F(xiàn)BE)?；顒?dòng)盆式支座的模擬則用理想彈塑性材料并賦予零長度單元(Zero-Length Element)來反映支座的力學(xué)特性，參數(shù)具體取值根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6]查詢，橋臺(tái)以及樁基礎(chǔ)固結(jié)簡化處理。梁-梁和梁-臺(tái)間的碰撞效應(yīng)采用簡化后且具有更好適用性的雙線性的赫茲-阻尼模型來模擬橋梁結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的碰撞行為。

2 天然地震波輸入

在近遠(yuǎn)場地震動(dòng)選波原則上，近遠(yuǎn)場斷層距以及矩震級根據(jù)Halldorsson[7]等人的研究，地震速度峰值與加速度峰值的比值(PGV/PGA)往往被用來作為區(qū)分近遠(yuǎn)場的參數(shù)[8-9]，場地確定方式參考美國NEHRP，結(jié)合本橋?qū)嶋H橋址條件通過相關(guān)規(guī)范生成算例橋梁的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜并采取譜兼容[10]原則選取天然地震波。如下頁表1～3所示分別為所選取的地震動(dòng)的詳細(xì)信息，其具體反應(yīng)譜和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜匹配情況如下頁圖2所示。地震波加載方向?yàn)闃蛄嚎v橋向，根據(jù)橋址條件和規(guī)范把所選天然地震波進(jìn)行調(diào)幅至0.4 g，以便后文進(jìn)行橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析，阻尼模型采用Rayleigh阻尼，其阻尼比取值為5%。

圖1 橋梁空間有限元模型圖

表1 近場脈沖型地震動(dòng)信息表

表2 近場無脈沖型地震動(dòng)信息表

表3 遠(yuǎn)場地震動(dòng)信息表

(a)近場脈沖型地震動(dòng)

(b)近場無脈沖地震動(dòng)

(c)遠(yuǎn)場地震動(dòng)

3 橋梁的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果分析

3.1 不同類型地震動(dòng)作用下橋梁動(dòng)力響應(yīng)

從表1～3可知，選取近場脈沖型地震動(dòng)、無脈沖地震動(dòng)和遠(yuǎn)場地震動(dòng)各3條進(jìn)行分析計(jì)算，取主橋橋墩以及過渡墩作為分析對象，如圖3～6所示為橋墩不同響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，如表4所示為具體響應(yīng)值列表。綜合計(jì)算結(jié)果來看，遠(yuǎn)場普通地震波的橋墩響應(yīng)結(jié)果比較接近，且3#～5#橋墩的各項(xiàng)響應(yīng)值最小，近場無脈沖地震動(dòng)次之，近場脈沖型地震動(dòng)響應(yīng)值最大。以遠(yuǎn)場普通地震動(dòng)的墩底彎矩為例，其各墩彎矩值分別為3.58×104kN·m、1.88×105kN·m和2.11×105kN·m，而近場無脈沖地震動(dòng)分別是其1.64倍、1.16倍和1.17倍，近場脈沖型地震動(dòng)分別是其2.14倍、1.54倍和1.45倍。這說明近場脈沖型地震動(dòng)相比其他兩種類型地震動(dòng)更具破壞性，將會(huì)激起橋梁更為劇烈的動(dòng)力響應(yīng)。除此之外，近場脈沖型地震動(dòng)較一般地震動(dòng)會(huì)帶來更劇烈的碰撞力。由此可見，近場脈沖型地震動(dòng)會(huì)顯著放大橋梁動(dòng)力響應(yīng)且?guī)砀鼊×业呐鲎残?yīng)從而造成橋梁上部結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件的損傷或者破壞。對可能面臨近場地震動(dòng)作用的橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)暮哪茏枘崞骰蛘邷p碰措施。

表4 不同類型地震動(dòng)作用下橋墩響應(yīng)值表

圖3 墩底剪力峰值曲線圖

圖4 墩底彎矩峰值曲線圖

圖5 墩頂位移峰值曲線圖

圖6 各伸縮縫間碰撞力峰值曲線圖

3.2 不同脈沖周期地震動(dòng)橋梁動(dòng)力響應(yīng)

由表1的地震波信息，根據(jù)脈沖周期的不同可把相應(yīng)9條地震波分為3類，其中RSN722、RSN723和RSN1045為短周期組，其平均周期為2.5 s；RSN802、RSN803和RSN1193為中等周期組，其平均周期為5.62 s；RSN1489、RSN1493和RSN1505為長周期組，其平均周期為11.8 s。分別輸入相應(yīng)3組地震記錄，得到主橋橋墩以及過渡墩計(jì)算結(jié)果，具體如圖7～10及表5所示?？偟膩砜?，長周期的近場脈沖型地震動(dòng)作用下，其3#～5#墩各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果最小，而中等周期結(jié)果最大，短周期介于兩者之間且和中等周期相差不大。長周期地震動(dòng)作用下3#～5#墩的墩底剪力分別為2 335 kN、8 184 kN和9 618 kN，短周期分別為其的1.06倍、1.148倍和1.146倍；中等周期分別為其1.19倍、1.167倍和1.169倍。本橋的一階周期為2.137 s，短周期和中等周期地震動(dòng)在2 s之后仍具有較高的加速度譜值，所以更能激發(fā)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)，且在強(qiáng)震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到塑性狀態(tài)，剛度發(fā)生退化從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)周期變長。以上分析表明，近斷層區(qū)域橋梁不僅要考慮近場脈沖型地震動(dòng)影響，更應(yīng)該重視相應(yīng)的脈沖周期。

表5 不同脈沖周期地震動(dòng)作用下橋墩響應(yīng)值表

圖7 墩底剪力峰值曲線圖

圖8 墩底彎矩峰值曲線圖

圖9 墩頂位移峰值曲線圖

圖10 各伸縮縫間碰撞力峰值曲線圖

4 結(jié)語

本文使用OpenSees軟件對某剛構(gòu)-連續(xù)梁橋工程實(shí)例進(jìn)行有限元建模，綜合考慮地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的非線性特性以及碰撞過程的非線性特性，探討了在考慮碰撞效應(yīng)情況下不同類型地震動(dòng)對全橋動(dòng)力響應(yīng)的影響。主要得到以下結(jié)論：

(1)近場脈沖型地震動(dòng)相比其他兩種類型地震動(dòng)更具破壞性，將會(huì)激起橋梁更為劇烈的動(dòng)力響應(yīng)。除此之外，近場脈沖型地震動(dòng)較一般地震動(dòng)會(huì)帶來更劇烈的碰撞力。

(2)在對近斷層橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)只考慮近場地震動(dòng)的影響，還應(yīng)該把橋梁結(jié)構(gòu)間可能發(fā)生的碰撞效應(yīng)考慮進(jìn)去，針對橋梁上部結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件可能發(fā)生的損傷或者破壞，應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)暮哪茏枘崞骰蛘卟扇p碰措施。

(3)不同脈沖周期的地震動(dòng)對橋梁結(jié)構(gòu)影響有較為明顯的區(qū)別，因橋梁在強(qiáng)震中剛度不斷退化導(dǎo)致阻尼和周期變長，所以脈沖周期對橋梁動(dòng)力響應(yīng)帶有不確定性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視。