近断层地震特性对隔震曲线连续梁桥地震响应的影响

王伟军, 虞庐松, 李子奇,2, 王 力(. 兰州交通大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730070;2. 兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室, 甘肃 兰州 730070)

0 引言

近断层地震动由于其特有的脉冲效应、上盘效应以及方向性效应等特征,引起的结构地震响应较常规地震动更显著[1-2]。桥梁是交通系统的重要组成部分,其抗震能力对于抗震救灾工作至关重要[3]。在高烈度地震区,由于特殊原因需在断层附近修建桥梁或在早期建桥时并未考虑断层因素,使得桥梁存在较大的安全隐患。在美国加州,有24 000多座桥梁,其中约5%的桥梁跨越断层断裂或位于接近断层破裂带的地方[4]。在发生强震时,当相邻结构的动力特性不同且间隙长度不足时,易引起结构间的碰撞,从而导致结构损坏甚至倒塌[5]。曲线梁桥因对线路适应好及跨越障碍性能强等特点得到广泛使用,但由于其构造的特殊性,在地震作用下响应的复杂性也随之增加[6-7]。同时,曲线桥梁由于其结构不规则性和桥面刚性扭转运动,易导致桥面脱空和伸缩缝处的碰撞,在地震中受到严重破坏[8]。汶川地震中,百花大桥和回澜立交匝道桥2座小半径曲线梁桥发生桥面断裂及桥墩毁损等严重破坏[9]。而在现行规范中,对于曲线梁的抗震设计仅提出了设置限位装置以及防落梁装置等构造方面的建议,并未针对近断层特殊运动效应以及考虑碰撞效应下的破坏形式提出相应的抗震措施[10-11]。

在对近断层地震动特性研究方面,陈志强等[12]以集集地震中典型脉冲地震记录为例,基于连续小波变换识别出最强脉冲能量所对应的方向,研究近断层地震动脉冲方向性效应对大跨度桥梁地震响应的影响,结果表明,最强脉冲方向上地震动作用下大跨斜拉桥的地震响应明显要大于实测地震记录水平分量作用下的结果;李爽等[13]利用211条脉冲型近断层地震动计算得到的近断层地震动反应谱,并与我国抗震规范的设计反应谱进行比较,指出:规范设计反应谱无法保证近断层区的结构具有足够的安全性,据此对规范设计反应谱进行修正以满足在近断层区域使用;杨迪雄等[14]研究了近断层地震动运动特征对长周期结构响应的影响,结果表明近断层地震动运动特性对长周期地震响应的影响较为显著。在对曲线梁桥地震响应研究中,Ni等[15]考虑正交各向异性和斜交双向地震输入方式,分别推导了曲线梁桥在两种情况下的最不利角度;李喜梅等[16]双质点模型基础上应用MATLAB编程探讨了多维地震作用下曲线梁桥地震波最不利输入方向的问题;苏鹏等[17]利用振动台试验,研究了破裂前方区域、破裂区域和破裂后方区域地震动对曲线连续梁桥动力响应的影响;ZUO Y等[18]对曲线梁桥在近断层地震动下的地震反应进行了研究,结果表明在曲线梁桥近断层地震动作用下地震响应较强。在对桥梁地震作用中碰撞效应研究方面,王东升等[19]基于直杆共轴碰撞理论,建立了桥梁地震反应邻梁碰撞分析模型,结合动量守恒定律和能量守恒定律,给出了与之等效的刚体碰撞模型;亓兴军[20]提出了采用显式动力接触算法计算曲线梁桥地震碰撞效应的数值模拟方法,并分析曲线连续梁桥碰撞效应引起的主梁、挡块和桥墩的冲击地震反应特点;李娜娜等[21-22]以某小半径带坡曲线桥为对象,通过振动台试验,研究了近断层地震动与远场地震动对曲线桥地震响应影响的差异,并探究了碰撞对有纵坡曲线梁桥地震响应的影响。

目前,对近断层地震动的研究大都集中在速度脉冲效应对结构的影响,而对于其他近断层运动特征的研究较少。对于碰撞效应的研究也主要聚焦于直桥,而对曲线桥在近断层地震作用下碰撞效应的关注度不足。本文以一座三跨曲线连续梁桥为研究对象,建立了考虑碰撞效应的有限元分析模型,通过非线性时程分析法分析了不同近断层运动特征(脉冲效应、上盘效应及方向性效应)对具有隔震装置的曲线连续梁桥地震响应及碰撞效应的影响,为近断层桥梁的抗震设计提供依据。

1 曲线连续梁桥的数值模拟

1.1 工程概况与有限元模型

某三跨连续曲线匝道桥,该桥曲率半径为50.0 m,主梁采用箱形截面,三跨跨径均为21.5 m,两侧各设跨径为30 m的引桥与其连接。桥面宽9.0 m,梁高1.7 m,采用C50混凝土。下部桥墩均采用独柱矩形墩(编号P1～P6),墩高16.2 m,采用C35混凝土。曲线连续梁与桥墩之间采用高阻尼隔震橡胶支座连接(编号B1～B8),过渡墩P2和P5与上部引桥采用滑动铰支座连接,引桥另一端采用固定支座连接。利用Midas/Civil软件建立全桥有限元模型,见图1。高阻尼隔震橡胶支座采用一般连接模拟,其恢复力模型如图2所示。其中F为支座恢复力,D为支座位移,K1为初始刚度,K2为屈服后刚度,Fy为屈服强度。考虑到桥墩弹塑性变形,采用集中型塑性铰模拟,滞回模型采用随机硬化三折线模型,墩底固结。曲线连续梁两侧与引桥相连接部分各建立2个碰撞单元(Gap1～Gap4),内外两侧各建立一个,碰撞单元的初始间隙取为40 mm。

图1 曲线连续梁桥有限元模型Fig.1 FEM of a continuous curved girder bridge

图2 高阻尼隔震橡胶支座恢复力模型Fig.2 Restoring force model of high damping isolation rubber bearings

1.2 碰撞单元模拟

在地震作用下,将梁体视为刚体,梁体之间发生碰撞。该碰撞过程可用图3碰撞模型进行模拟,弹簧可看作弹性非线性材料。当梁体之间的相对位移超过了初始间距,二者之间发生碰撞,产生碰撞力。

图3 邻梁碰撞模型Fig.3 Pounding model between adjacent bridges

忽略梁体在碰撞过程中的能量消耗,碰撞力F可按下式计算:

(1)

式中:k为弹簧的刚度;d为梁体相对位移差;d0为梁体初始间隙。

碰撞弹簧的刚度假设与两侧梁体较短梁轴向刚度成正比,表达式如式(2)所示,

(2)

式中:α为刚度系数,取文献[15]中推荐的0.5;E为较短梁弹性模量;A为较短梁截面面积;l为较短梁梁长。

2 近断层地震动特性及其选取

桥址所在地的抗震设防烈度Ⅶ度,基本地面加速度为0.1g,场地特征周期0.45 s。本文选取的地震动为台湾集集地震的近断层地震动记录(断层距小于20 km),断层方向为南北方向。考虑到近断层地震动的不同特性(包括脉冲效应、上盘效应以及方向性效应),共选取24条近断层地震动信息,见表1。其中1～17号地震动为断层法向分量(E-W分量将上述地震动分为六组(表2)。在考虑近断层地震动方向性效应时,本文仅考虑地震动断层法向分量以及平行向分量对于结构动力响应的差异,输入地震动峰值加速度调至0.22g(罕遇地震)。

3 近断层特性对曲线连续梁桥地震响应的影响

3.1 工程计算概况

由于地震波的方向的随机性,只有以最不利角度输入才能保证分析的准确性和合理性。对于曲线梁桥,需从多个方向进行试算以确定其最不利角度。本文采用1#地震波试算,以桥墩最不利响应角度输入。试算得最不利响应角度为与引桥2轴向呈10°夹角,如图1。曲线连续梁桥的前5阶动力特性见表3。

表1 近断层地震动参数

表2 近断层地震动分组

表3 曲线连续梁桥动力特性

3.2 支座响应

从各组选取一条地震动记录,分别对比在不同近断层地震动特性下B5支座的剪力滞回曲线见图4。由图4可知,在脉冲地震动、上盘地震动及断层法向地震动作用下,支座峰值位移均超过50 mm。

各组地震动下,B5支座的位移峰值(径向和切向)与剪力峰值的平均值见图5。由图5可知,脉冲效应、上盘效应以及方向性效应均会造成支座响应的增大。脉冲效应与上盘效应对支座位移的增幅都在27%～38%之间,远大于方向性效应对支座位移的影响。脉冲效应对于支座剪力增大明显,而上盘效应及方向性效应对其影响不超过10%。较大的支座径向位移,易造成梁体与桥墩的分离,使得支座发生破坏,甚至落梁。

3.3 桥墩响应

不同类型近断层地震动作用下,曲线连续梁桥P3墩墩底峰值剪力的平均值与墩底峰值弯矩平均值如图6所示。

脉冲地震动和无脉冲地震动作用下墩底剪力与墩底弯矩的平均值之比分别为1.27和1.30。可见,在脉冲效应作用下,桥墩墩底峰值剪力与峰值弯矩的增幅显著,但上盘效应与方向性效应的影响并不明显,增大率皆在10%以内。而脉冲效应使得墩底峰值剪力以及峰值弯矩增大了30%左右,使桥墩更快地进入弹塑性,墩底内力更大,更容易造成桥墩的破坏。

3.4 隔震率

本文以P3墩为例,考察隔震前后地震响应之差与隔震前地震响应之比,即桥梁的隔震率,以分析不同类型近断层地震动作用下地震响应产生差异的原因。不同类型近断层地震动下曲线梁桥墩底剪力隔震率平均值与墩底弯矩隔震率平均值见图7。

图4 支座剪力滞回曲线Fig.4 Hysteretic curve of bearing shear force

图5 支座响应峰值的平均值Fig.5 Average peak seismic response of bearing

由图7知,脉冲地震动和断层法向地震动作用下曲线梁桥的隔震率相对于无脉冲地震动和断层平行分量地震动均有一定的减小;而上盘地震动作用下其隔震率相较下盘地震动有所增大。可以看出,脉冲效应和方向性效应使得高阻尼橡胶支座隔震效果变差,而在上盘效应下隔震效果变好。可见,在脉冲地震动和断层法向地震动作用下支座的隔震性能被减弱;而在上盘效应作用下,虽然支座隔震率增大了,但结构的动力响应并未随之减小,据此表明上盘效应作用下桥梁响应的增大是由于上盘地震动自身特性造成的。

图6 桥墩响应峰值的平均值Fig.6 Average peak seismic response of bridge pier

4 碰撞效应

有限元分析结果表明,该桥仅在右侧伸缩缝(主梁与引桥2之间)发生碰撞,而在左侧伸缩缝(主梁与引桥1之间)并无碰撞发生。由于地震动输入角度的原因,使得左侧伸缩缝间梁体相对位移并未超过初始间隙,无法引起碰撞。在此,选取16号地震动作用下右侧伸缩缝处两个碰撞单元(Gap3与Gap4)的间隙变化的时程曲线如图8所示。由图可知,两碰撞单元间隙变化时程曲线基本一致,说明邻梁间发生的碰撞形式为面面碰撞。

图7 隔震率Fig.7 Ratio of isolation

图8 碰撞单元间隙变化时程Fig.8 Time history of pounding element gap change

各选取一条近断层脉冲地震动与近断层无脉冲地震动,两类地震动作用下梁体相对位移时程及碰撞力时程见图9。如图可知,在近断层无脉冲地震动下,碰撞发生在第6 s左右;而在近断层无脉冲地震动作用下,碰撞发生在第20～25 s之间。可见,近断层脉冲地震动释放能量的时刻较近断层无脉冲地震动有一定的滞后。而上盘效应与方向性效应下的梁体位移时程以及碰撞力时程并没有明显的规律性。

图9 脉冲效应下梁体相对位移与碰撞力时程Fig.9 Time history of relative displacement of girders and pounding force under pulse effect

在不同类型近断层地震动作用下,曲线连续梁桥右端梁体与引桥2之间的相对位移峰值平均值以及峰值碰撞力平均值见图10。结合图9和图10可知,在近断层脉冲地震动下,曲线连续梁产生的碰撞力远大于无脉冲地震动。从碰撞力来看,上盘地震动作用下产生的碰撞力相对于下盘地震动有所减小;但从梁体间相对位移峰值来看,二者之间差异并不明显。对比断层法向分量与平行向分量作用下的碰撞力与相对位移,可见近断层方向性效应使曲线连续梁碰撞效应略有增大,但不及脉冲效应对其影响显著。

图10 近断层地震动特性对碰撞效应的影响Fig.10 The influence of near-fault ground motion characteristics on pounding effect

5 结论

本文以一曲线连续梁桥为例,考虑邻梁间碰撞效应,系统研究了不同近断层地震动特性对曲线连续梁桥地震响应及碰撞效应的影响,结论如下:

(1) 脉冲效应使曲线连续梁桥支座位移、墩底和弯矩增大约30%;上盘效应下支座位移响应增幅达38%左右,对桥墩内力的影响均小于10%;而方向性效应对曲线连续梁桥地震响应的影响皆不超过20%。

(2) 近断层地震动脉冲效应与方向性效应可削弱支座的隔震效果,使得地震响应进一步加剧;而上盘效应对桥梁响应的影响仅与其自身特性有关。

(3) 脉冲效应对曲线连续梁桥碰撞效应的影响最为显著,方向性效应次之,上盘效应并不明显。对断层附近桥梁,应考虑近断层地震特性的影响,可用常规地震动进行桥梁抗震设计,并选择含有脉冲效应的近断层地震动进行验算。