近斷層脈沖效應對高墩橋梁地震響應的影響

陳志偉，陳志強，李 晰

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

高墩大跨連續剛構橋由于其卓越的跨越能力和地形適應性，近年來在西部地區的公路、鐵路建設中得到了廣泛的運用。從地震分布來看，我國位于環太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯部位，地震頻繁而強烈，是世界上地震災害最嚴重的國家之一。而西部地區更是屬于強震多發區，汶川地震、青海玉樹地震、雅安蘆山地震以及九寨溝地震等近年來的幾次大地震都發生在西部地區。地震已經成為威脅這類橋梁安全的主要因素之一。

近斷層脈沖地震動作為特殊的一類地震動，由于其距離斷層較近，更容易受到斷層前場方向性效應的影響。這最直接的特征就表現為其速度或位移時程中包含有顯著的長周期、高幅值脈沖[1]。這種脈沖能夠將地震動的很大一部分能量在短時間內輸入結構，從而使結構產生很大的地震反應[2]。近年來不少專家學者都對其進行了深入的研究。SOMERVILLE等[3]證明了在中長周期段，脈沖型地震動較非脈沖型地震動具有更大的彈性反應譜。陳令坤等[4]研究了脈沖效應對高速鐵路橋梁彈塑性地震響應的影響，結果表明在脈沖型地震動作用下橋墩需要有更強的能量釋放能力和更大的延性。曾永平等[5]以川藏鐵路典型連續剛構橋為例，研究了近斷層地震動對其地震響應的影響，研究表明長周期成分豐富、有能量脈沖的地震動對橋梁結構的破壞較遠場地震動更為嚴重。李晰等[6]通過振動臺試驗研究了近斷層地震動對曲線剛構橋抗震性能的影響，結果表明近斷層地震作用下曲線橋更容易發生破壞。

以上成果豐富了近斷層地區橋梁的抗震研究，對近斷層地震區橋梁的抗震設計具有一定的指導意義。但是其針對的大多是普通橋梁，而對于高墩橋梁，其體系較柔，自振周期較長，自振周期與脈沖周期更為接近，近斷層脈沖效應對其影響更大。鑒于此，本文以西部地區某典型高墩大跨橋梁為例，研究近斷層脈沖效應對其抗震性能的影響，為近斷層地區高墩橋梁的抗震設計提供參考。

1 高墩橋梁分析模型

1.1 工程背景

選取西南地區貴州省境內的一高墩大跨連續剛構橋為工程依托，整個橋梁由左側的主橋+右側的引橋組成。其中主橋為(88+168+88)m預應力混凝土連續剛構，全長344 m；引橋為(33+56+33)m預應力混凝土連續梁，全長122 m，橋墩編號從左到右依次為1＃～5＃。5個橋墩中最高墩為2＃墩，墩高103 m，最矮墩為5＃墩，墩高19 m，兩者高差 84 m。最大相鄰墩高差47 m。1＃和2＃高墩采用了空心矩形變截面形式，其余采用空心橢圓變截面形式。主梁采用的是12 m寬變截面預應力混凝土箱形梁，梁截面高度按照二次拋物線變化。1＃墩和2＃墩兩個高墩采用墩-梁固結，4＃墩采用固定支座，其余采用單向活動支座，支座形式均為盆式橡膠支座。整個橋跨結構的布置如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置(單位:m)

1.2 有限元模型的建立

采用ANSYS有限元平臺建立全橋動力學模型，整個橋梁結構主要包括主梁和橋墩2部分，由于二者均為變截面，故均采用BEAM188單元模擬。主梁結構采用C55混凝土，橋墩結構采用C40混凝土。由于主橋為墩梁固結的連續剛構體系，故1＃，2＃號墩的墩頂與梁底部自由度完全耦合，而引橋為連續梁體系，故3＃，4＃和5＃的墩頂和梁底部除縱向自由度外其余自由度全部耦合，橋臺處約束豎向位移和橫豎向扭轉。整個橋梁結構有限元模型如圖2所示。

圖2 高墩橋動力分析模型

1.3 橋梁結構動力特性

基于ANSYS中的Modal模塊，采用Lanczos方法對該算例橋梁進行動力特性分析。該橋第1階振型為主橋縱向對稱振動，第2階振型為主橋橫向振動，第3階振型為引橋縱向振動，第4階振型為全橋橫向振動。從表1可以看出，由于主橋和引橋墩高的不同，二者動力特性出現了顯著差異，主橋墩高較高，體系較柔，因此在一階振動中只有主橋發生了縱向振動。

表1 橋梁動力特性

2 近斷層脈沖地震動的選取

目前關于近斷層地震動的定義還存在較大爭議。不少學者都采用斷層距Rrup作為近斷層地震動的選擇標準[7-8]，但是后來IERVOLINO等[9]的研究表明有很大一部分地震動雖然距離斷層較近，但是其并不包含顯著的長周期脈沖，不屬于脈沖地震動。2007年，BAKER[10]提出了基于小波分析的近斷層脈沖地震動識別方法，為近斷層脈沖地震動的選取提供了一個量化標準。雖然該方法第一次實現了近斷層脈沖地震動的量化識別，但是其對一部分地震動需要進行眼觀識別，從而判斷其脈沖特性。鑒于此，ZHAI等[1，11]提出了一種基于能量的近斷層脈沖地震動識別方法，該方法不僅計算量小，而且誤判概率小，效率高。因此本文采用該方法來選擇近斷層脈沖地震動，從而為高墩橋梁的地震響應分析提供依據。

此外，由于近場地震動的脈沖特性受震源機制的影響較大。對于不同的地震事件，由于斷層破裂機制、斷層上升時間和斷層破裂尺寸等復雜因素的影響，地震動的脈沖特性可能差距較大。為了排除震源特性對地震動造成的影響，本文采用ZHAI等提出的近斷層脈沖地震動能量識別方法，從1999年臺灣集集地震中的地震記錄中分別選擇了10條脈沖和非脈沖地震記錄作為輸入地震動，進而研究近場地震動脈沖特性對山區高墩橋梁地震響應的影響。所選擇的脈沖和非脈沖地震動詳細信息如表2和表3所示，PGA為0.6g，阻尼比ζ＝5%時地震記錄平均反應譜如圖3所示。

表2 脈沖型地震記錄基本信息

表3 非脈沖型地震記錄基本信息

圖3 選擇的地震動記錄平均反應譜(ζ＝5%)

從圖3中可以看出:當周期小于1 s時(即對于高頻部分)，脈沖型地震動和非脈沖型地震動的反應譜均值基本重合，但是對于周期大于1 s的長周期部分，脈沖型地震動的反應譜均值明顯要大于非脈沖型地震動。這說明由于脈沖效應的影響，地震記錄的長周期反應譜被放大。

3 脈沖效應對高墩橋梁動力響應的影響分析

為了研究脈沖效應對山區高墩橋梁地震響應的影響程度，將表2中的10條脈沖型地震記錄和表3中的10條非脈沖型地震記錄分別乘以調幅系數(Scale Factor，SF)保證其峰值加速度PGA均為0.6g，然后將其施加于全橋有限元模型，從而獲得橋梁結構的動力響應。既往橋梁震害表明地震作用下主梁發生破壞的概率較小，橋梁的地震破壞主要以橋墩破壞為主。而圖1中的橋梁模型中主橋的橋墩較高，相鄰墩高差較大，結構體系復雜，其發生破壞的可能性最大。因此本章將對1＃和2＃墩的地震響應進行重點分析，詳細研究地震動脈沖效應對該橋墩的相對位移和墩底彎矩2個動力響應參數的影響。

圖4和圖5分別給出了脈沖(PTR)、非脈沖地震(NPTR)作用下1＃，2＃墩的相對位移、墩底彎矩峰值響應。從圖4和圖5中可以看出近斷層脈沖效應對算例橋梁的地震響應有重要影響。以最高墩2＃墩為例，脈沖型和非脈沖型地震作用下2＃墩的墩頂位移平均值分別為37.5 cm和32.3 cm，墩底彎矩分別為10.14×106kN·m和8.38×106kN·m。與非脈沖地震作用相比，脈沖型地震動激勵下，橋墩的墩頂位移和墩底彎矩分別增長了16.1%和21.0%。同樣，對于1＃墩而言，近斷層脈沖地震作用下1＃墩的墩頂位移和墩底彎矩分別增長了16.04%和17.24%。產生這種現象的原因從圖3中地震動的反應譜不難進行解釋。該算例橋梁一階模態為1.323 s，在該位置處，脈沖型地震動的平均反應譜明顯要大于非脈沖地震動的平均反應譜，而該算例橋梁雖然為高墩橋梁，但是一階模態的振型質量參與系數也達到了61.15%，一階振型的貢獻相對較大。這兩方面的原因導致了近斷層脈沖效應對其動力響應產生顯著的放大效應。

圖4 墩頂位移峰值響應

圖5 墩底彎矩峰值響應

4 結論

采用能量識別的方法從集集地震記錄中選擇了脈沖型和非脈沖型地震動各10條，對一高墩大跨橋梁進行了地震響應分析，研究了近斷層脈沖效應對高墩橋梁地震響應的影響。主要結論如下:

1)高墩橋梁主橋和引橋之間動力特性相差較大，地震作用下二者存在明顯的不同步振動，從而導致其很容易發發生嚴重的碰撞；

2)近斷層脈沖地震動中速度脈沖對長周期段的反應譜存在顯著的放大效應，從而使得在長周期段脈沖地震動的反應譜明顯要高于非脈沖地震動的反應譜；

3)近斷層脈沖效應將會顯著增大高墩橋梁的地震響應，相同的峰值加速度下，最大改變率可達到21.0%，近斷層地區的橋梁抗震設計應該充分考慮近斷層脈沖效應的不利影響。