近場地震動對樁基礎高墩搖擺反應的影響

夏修身，李建中

近場地震動對樁基礎高墩搖擺反應的影響

夏修身1，2，李建中1

（1.同濟大學土木工程學院，200092上海；2.蘭州交通大學土木工程學院，730070蘭州）

為明確樁基礎高墩自復位隔震裝置的適用范圍，研究了近場地震動特性對樁基礎高墩搖擺反應的影響.以斷層距作為識別近場地震動的主要參數來選取地震動，采用兩彈簧模擬橋墩的提離搖擺，基于某鐵路高墩橋梁，采用非線性時程分析方法，討論了近場地震動對高墩搖擺反應的影響.結果表明，近場水平地震動顯著增大墩頂的搖擺位移，豎向地震動對樁基礎高墩的搖擺反應有不利影響.在近斷層地震區樁基礎高墩應謹慎采用搖擺隔震裝置.

高墩；搖擺隔震；近場；地震動

高墩橋梁是抗震不利的結構體系，在我國西部高烈度地震區被廣泛應用［1］.強震作用下，簡支梁橋及連續梁橋的高墩頂產生較大位移、墩中可能會形成兩個以上的塑性鉸區及承臺底的地震作用巨大，給高墩及其樁基礎的抗震設計帶來很大困難［2-3］.常用的支座減、隔震裝置變形能力及自復位能力有限、適用頻率范圍較窄［4-5］.粘滯阻尼器不改變結構周期減震效果較好，但其方向性較強、沖程有限、價格昂貴，還需要定期維護［6］.

樁基礎高墩自復位隔震通過橋墩與樁基礎在承臺處的分離設計，充分利用豎向荷載（橋跨重及橋墩自重）來平衡風荷載、車輛活載的制動力及中小地震作用引起的水平荷載以滿足正常使用，強震時利用橋墩的提離進行搖擺隔震，震后靠豎向恒載實現自復位.自復位隔震高墩的墩底提離彎矩基本恒定［1］，通過能力設計很容易同時保證橋墩及其樁基礎免受地震損傷.

地震動輸入是結構地震反應的重要影響因素之一.對地震動特性最基本的認識是:振幅、頻譜和持時三要素.隨著地震動特性研究的深入，對結構有重要影響的近場地震動特性及遠場地震動特性被揭示［7-9］.本文重點討論近場地震動對高墩搖擺反應的影響，為自復位隔震裝置適用范圍的確定提供參考.

1 近場地震動及其主要特征

1994年美國Northridge地震，1995日本Kobe地震和1999年臺灣集集地震中近場地震動的不利影響得到顯現［10］.國內外學者提出了根據震中距、震源深度及距斷層距離定義近場地震動的方法.近場地震動通常指到斷層距離不超過20 km場地上的地震動.一般震中距小于50 km的地震動可以被認為是近場地震動［7］.考慮到近場效應受震級和場地條件等因素的影響，文獻［11］提出通過［20～60 km］斷層距區域界定近場地震動，得到了較多認同.

盡管近場定義不統一，但近場地震有較長的周期、明顯高出的峰值、類似脈沖的波形，以高能量速度脈沖運動為特征［12］.高能量速度脈沖會引起結構較大的加速度、速度、位移沖擊，特別是在小阻尼情況下，會使結構產生較大的位移和變形.大多數近場地震均具有明顯的速度脈沖效應、較大的PGV／PGA值和豎向加速度［13］．由于速度脈沖顯著，近場地震動的PGV／PGA比值遠大于普通的地震記錄．當PGV／PGA＞0．2時，結構的近場效應明顯［10，14］．

通常地震中的豎向加速度比相應的水平向加速度要小［15］.對于普通結構抗震設計來說，豎向加速度效應引起的軸力變化對結構的地震反應及抗震性能影響不大.對自復位搖擺隔震高墩來說則不然，豎向地震作用會引起橋墩對提離有重要影響的軸力變化［1，4］.此外，近場豎向地震動還包含更多的高頻成分［7］.

2 輸入地震動

為研究近場地震動效應對高墩搖擺反應的影響，以斷層距作為識別近、遠場地震動的主要參數，綜合考慮PGV／PGA比值，從美國太平洋強震數據庫（PEER）選取1999年臺灣集集地震的強震記錄作為地震動輸入.表1為2條強震記錄的震級、地面峰值加速度、地面峰值速度（PGV）和地面峰值位移（PGD）及斷層距等信息.其中，近場地震動CHY101水平分量的PGV／PGA=0.26＞0.2．

為了便于對比分析，搖擺反應分析時表1中CHY101所示信息保持不變，而把CHY074水平地震波的幅值調整到與CHY101相同.圖1、圖2為幅值調整后5%阻尼的偽加速度譜和位移譜.豎向地震波的幅值按原來的豎向與水平比例相同調整.地震反應分析時，分“水平”及“水平+豎向”兩種地震動輸入方式.

表1 地震波信息

圖1 偽加速度譜

圖2 位移譜

3 樁基礎高墩搖擺隔震分析模型

文獻［4］提出了樁基礎高墩搖擺隔震裝置（見圖3），強震下通過提離搖擺能達到既保護橋墩又保護基礎的抗震目標.

圖3 高墩基礎搖擺隔震裝置

橋墩在正常使用及多遇地震作用下的水平力由橋跨重及橋墩自重共同抵抗，橋墩不發生提離見圖3（a），此時按巖石地基上的擴大基礎進行抗震設計.強震下當墩底地震彎矩超過恒載提供的抗傾覆彎矩時墩底的一側相對于樁基礎產生豎向的位移，發生提離（圖3（b）），提離后繞另一側搖擺，橋墩利用提離搖擺達到隔震目的［4］.搖擺過程中可通過鋼筋或鋼鉸線限制墩頂產生過大位移.若地震過程中不允許限位鋼筋發生屈服，限位鋼筋的用量可由其所受的地震作用及其強度來確定；若允許限位鋼筋發生屈服，則可根據地震中限位鋼筋的最大變形不超過其極限變形這一原則來確定其用量.

圖3所示的樁基礎高墩搖擺隔震裝置，橋墩在承臺上提離搖擺.墩底擴大基礎本身的變形很小，承臺接近剛性.不考慮限位裝置的影響，本文用兩個豎向彈簧模擬強震下樁基礎高墩的提離搖擺［1］（見圖4）.模型中彈性梁單元模擬墩柱，集中質量模擬橋跨重，剛臂單元模擬墩底擴大基礎，基礎質量堆積于擴大基礎的重心，模型采用瑞利阻尼，提離彈簧只受壓.假定剛度與自振頻率不相關，置于半空間地基上矩形剛性基礎的豎向剛度，近似表示為［16］:

式中:Kv為豎向剛度；R0為等效半徑；A0為墩底擴大基礎的截面積；G為基礎材料的剪切模量；ν為基礎材料的泊松比．

圖4 兩彈簧模型

4 樁基礎高墩搖擺反應分析

4.1 基本分析數據

某單線鐵路特大橋，上部結構為等跨布置32 m簡支箱形梁，下部結構為圓端形空心高墩、群樁基礎，橋型立面布置示于圖5.以58 m高的18#橋墩為搖擺隔震研究對象，隔震前18#順橋向的第1周期為0.95 s.順橋向隔震設計時墩底擴大基礎為C30混凝土、寬B=10 m，擴大基礎底作用的恒載豎向力N=33 873 kN，截面積A0=120 m2.每端提離彈簧的剛度k=0．5Kv=2.1×108kN／m.文中以上參數取值能滿足正常使用［1］，以下分析計算借助MIDAS有限元軟件完成.

圖5 某鐵路高墩橋梁的立面布置（m）

4.2 結果及分析

3條強震記錄下的墩頂位移及墩底彎矩列于表2.圖6～10為僅水平地震動輸入下順橋向的搖擺反應.圖11～16為水平地震動及豎向地震動同時輸入下順橋向的搖擺反應.

圖6 墩頂水平位移時程曲線

圖7 墩頂水平速度時程曲線

圖8 基礎中心豎向位移時程曲線

圖9 墩底彎矩時程曲線

由圖6、表2可知，相同地震波峰值加速度下，CHY101波的墩頂水平搖擺位移遠大于CHY074，約為1.9倍.這表明，近場地震動會顯著增大墩頂搖擺位移.文獻［1］中Taft波、El-centro及Northridge波的計算結果也有相同的現象.

由圖2可知，近場與普通地震下的位移譜曲線在3 s以后相差較大，這可能是造成兩計算結果差異較大的主要原因.墩頂搖擺位移對近場地震動特性比較敏感，與近場地震動以高能量速度脈沖運動為特征也不無關系.近場地震動CHY101作用下引起的墩頂水平速度（見圖7）遠大于普通地震動（CHY074）.近場速度脈沖對小阻尼結構有不利影響［11］.盡管鋼筋混凝土結構有較大阻尼，但當橋墩提離搖擺時，樁基礎（含地基土）等邊界約束減弱，結構的阻尼會有所減小，此時直接承受高能量脈沖速度的沖擊，會造成橋墩產生較大的基礎豎向提離位移（見圖8），較大的基礎提離位移也會由剛體轉動效應引起水平搖擺位移.本算例在CHY101波下，基礎的豎向提離位移為68.2 mm，由其引起的墩頂水平位移為791 mm，約占總位移的90%.因此，近場采用自復位搖擺隔震時應注意采用相應的限位措施，以控制墩底提離轉動引起的剛體位移.

表2 搖擺隔震反應比較

由圖9、10及表2可知，近場CHY101與普通CHY0741的墩底彎矩時程曲線形狀相近，且CHY101的墩底彎矩峰值為219 374 kN·m，僅比CHY0741的大1.2%，提離搖擺后墩頂水平加速度也相差較小.這說明，就墩底彎矩而言，對近場地震動特性不敏感.這是因為，地震下搖擺隔震高墩具有明確的提離條件，當墩底的地震彎矩大于其抗傾覆提離彎矩My=N·B／2時橋墩發生提離［1，4］，而水平地震動下對橋墩的軸力影響很小，故提離后橋墩發生搖擺，墩底約束變弱，其彎矩也基本不增加.本文算例的抗傾覆提離彎矩My= 169 365 kN·m，表2中的墩底地震彎矩略大于My是由于橋墩的動力放大效應所致.

圖10 墩頂水平加速度時程曲線

由圖11、12及表2可知，考慮豎向地震動作用后近場地震動CHY101下墩頂的位移增加39%，普通地震動CHY074下墩頂的位移增加8%.這說明，豎向地震作用對墩頂水平位移有較大影響，且近場的豎向地震動效應相對更加顯著.

這是因為，豎向地震動作用使墩底產生較大的地震軸力，并且地震軸力的方向隨地震動方向的改變而時刻在變.當地震軸力方向與恒載豎向力相反時，軸力變小進而減小抗傾覆提離彎矩My，從而增加墩底提離次數、增大提離位移（見圖13）.前面已經分析，提離轉動引起的墩頂水平位移在總位移中占絕對優勢.這可以解釋為何產生了豎向地震動增大墩頂水平位移.近場的豎向地震動影響較大是因為近場的豎向地震動效應顯著.

圖11 墩頂水平位移時程曲線（CHY101）

圖12 墩頂水平位移時程曲線（CHY074）

圖13 基礎中心豎向位移時程曲線（CHY101）

圖14 墩底彎矩時程曲線（CHY101）

圖15 墩底彎矩時程曲線（CHY074）

由圖14、15及表2可知，豎向地震作用均增大了墩底彎矩，其中近場地震動CHY101下墩底彎矩增大了19%，普通地震動下增大了6%.與墩頂位移相似，也是近場地震動的豎向地震動效應影響較顯著.這是因為，當地震軸力方向與恒載豎向力一致時，會增大抗傾覆提離彎矩My（見圖16），減少墩底提離次數，從而增大墩底彎矩．

圖16 基礎底面中心的彎矩-轉角關系（CHY101）

綜合以上分析，樁基礎高墩自復位隔震裝置用于近場隔震時，由于產生較大的墩頂位移，為避免產生鄰梁或梁、臺之間的碰撞，應采取相應的限位及防碰撞措施.

5 結 論

1）搖擺隔震高墩的墩頂位移反應對近場地震動特性比較敏感.近場地震動引起較大的墩頂位移，搖擺隔震設計時應注意采用限位措施.

2）搖擺隔震高墩的墩底彎矩反應對近場水平地震動特性不敏感，其結果與普通地震動接近.

3）近場豎向地震作用對墩頂位移有重要影響，會顯著增大墩頂位移.

4）近場豎向地震作用對墩底彎矩有較大影響，會明顯增大墩底彎矩.

［1］夏修身.鐵路高墩抗震設計方法研究［D］.蘭州:蘭州交通大學，2012.

［2］梁智垚，李建中.橋梁高墩合理計算模型探討［J］.地震工程與工程振動，2007，27（2）:91-98.

［3］夏修身，陳興沖，王常峰.鐵路高墩彈塑性地震反應分析［J］.世界地震工程，2008，24（2）:117-121.

［4］夏修身，陳興沖.鐵路高墩橋梁基底轉動隔震與墩頂減震的效果對比研究［J］.鐵道學報，2011，33（9）:102-107.

［5］夏修身，陳興沖，王希慧，等.剪力鍵對隔震橋梁地震反應的影響［J］.地震工程與工程振動，2012，32（6）: 104-109.

［6］SYMANS M D，CHARNEY F A，WHITTAKER A S，et al.Energy dissipation systems for seismic applications: current practice and recent developments［J］.Journal of Structural Engineering，2008，134（1）:3-21.

［7］李爽，謝禮立.近場問題的研究現狀與發展方向［J］.地震學報，2007，29（1）:102-111.

［8］袁偉澤，陳清軍，曹麗雅.長周期地震動作用下高層框架結構的損傷分析［J］.沈陽工業大學學報，2012，34（3）:320-325.

［9］徐龍軍，于海英，曹文海，等.汶川地震遠場地震動場地相關性與分析方法評價［J］.地震學報，2010，32（2）:175-183.

［10］王京哲，朱晞.近場地震速度脈沖下的反應譜加速度敏感區［J］.中國鐵道科學，2003，24（6）:27-30.

［11］STEWART J P，CHIOU S J，BRAY J D，et al.Ground motionevaluationproceduresforperformance-based design［R］.Berkeley，California:Pacific Earthquake Engineering Research Center，University of California，2001.

［12］MAZZA F，VULCANO A.Effects of near-fault ground motions on the nonlinear dynamic response of baseisolatedr.c.framedbuildings［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2012，4 1（2）: 211-232.

［13］OZBULUT O E，HURLEBAUS S.Optimal design of superelastic-friction base isolators for seismic protection of highway bridges against near-field earthquakes［J］. Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2011，40（3）:273-291.

［14］楊迪雄，李剛，程耿東.近斷層脈沖型地震動作用下隔震結構地震反應分析［J］.地震工程與工程振動，2005，25（2）:119-124.

［15］火明譞，趙亞敏，陸鳴.近斷層地震作用隔震結構研究現狀綜述［J］.世界地震工程，2012，28（3）:161-170.

［16］GAZETAS G.Analysis of machine foundation vibrations: state of the art［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，1983，2（1）:2-41.

（編輯 趙麗瑩）

Effect of near-field ground motion on the rocking response of tall pier with pile foundations

XIA Xiushen1，2，LI Jiangzhong1
（1.College of Civil Engineering，Tongji University，200092 Shanghai，China；2.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，730070 Lanzhou，China）

To determine the scope of self-centering for the tall pier with pile foundations，the effect of nearfield ground motion on rocking response was investigated.Fault distance was used as parameters identifying near-field to select ground motion.Two springs simulated the uplift and rocking of the pier.Rocking response of a railway tall pier was investigated through nonlinear time history analysis by inputting strong ground motions.The results show that the displacement at pier top is significantly increased by near-field horizontal ground motion.It is also observed that vertical ground motion is unfavorable to the rocking response of tall pier with pile foundations.Rocking devices for tall piers in near-fault zones should be cautious.

tall pier；rocking；near-field；ground motion

U442.5+5

A

0367-6234（2014）04-0082-05

2013-05-26.

國家自然科學基金資助項目（51268027，51278371）；

國家重點基礎研究發展計劃（2013CB036302）.

夏修身（1978—），男，副教授，博士后；

李建中（1963—），男，教授，博士生導師.

李建中，lijianzh＠tongji.edu.cn.