近断层脉冲效应对高墩桥梁地震响应的影响

陈志伟，陈志强，李 晰

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

高墩大跨连续刚构桥由于其卓越的跨越能力和地形适应性，近年来在西部地区的公路、铁路建设中得到了广泛的运用。从地震分布来看，我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇部位，地震频繁而强烈，是世界上地震灾害最严重的国家之一。而西部地区更是属于强震多发区，汶川地震、青海玉树地震、雅安芦山地震以及九寨沟地震等近年来的几次大地震都发生在西部地区。地震已经成为威胁这类桥梁安全的主要因素之一。

近断层脉冲地震动作为特殊的一类地震动，由于其距离断层较近，更容易受到断层前场方向性效应的影响。这最直接的特征就表现为其速度或位移时程中包含有显著的长周期、高幅值脉冲[1]。这种脉冲能够将地震动的很大一部分能量在短时间内输入结构，从而使结构产生很大的地震反应[2]。近年来不少专家学者都对其进行了深入的研究。SOMERVILLE等[3]证明了在中长周期段，脉冲型地震动较非脉冲型地震动具有更大的弹性反应谱。陈令坤等[4]研究了脉冲效应对高速铁路桥梁弹塑性地震响应的影响，结果表明在脉冲型地震动作用下桥墩需要有更强的能量释放能力和更大的延性。曾永平等[5]以川藏铁路典型连续刚构桥为例，研究了近断层地震动对其地震响应的影响，研究表明长周期成分丰富、有能量脉冲的地震动对桥梁结构的破坏较远场地震动更为严重。李晰等[6]通过振动台试验研究了近断层地震动对曲线刚构桥抗震性能的影响，结果表明近断层地震作用下曲线桥更容易发生破坏。

以上成果丰富了近断层地区桥梁的抗震研究，对近断层地震区桥梁的抗震设计具有一定的指导意义。但是其针对的大多是普通桥梁，而对于高墩桥梁，其体系较柔，自振周期较长，自振周期与脉冲周期更为接近，近断层脉冲效应对其影响更大。鉴于此，本文以西部地区某典型高墩大跨桥梁为例，研究近断层脉冲效应对其抗震性能的影响，为近断层地区高墩桥梁的抗震设计提供参考。

1 高墩桥梁分析模型

1.1 工程背景

选取西南地区贵州省境内的一高墩大跨连续刚构桥为工程依托，整个桥梁由左侧的主桥+右侧的引桥组成。其中主桥为(88+168+88)m预应力混凝土连续刚构，全长344 m；引桥为(33+56+33)m预应力混凝土连续梁，全长122 m，桥墩编号从左到右依次为1＃～5＃。5个桥墩中最高墩为2＃墩，墩高103 m，最矮墩为5＃墩，墩高19 m，两者高差 84 m。最大相邻墩高差47 m。1＃和2＃高墩采用了空心矩形变截面形式，其余采用空心椭圆变截面形式。主梁采用的是12 m宽变截面预应力混凝土箱形梁，梁截面高度按照二次抛物线变化。1＃墩和2＃墩两个高墩采用墩-梁固结，4＃墩采用固定支座，其余采用单向活动支座，支座形式均为盆式橡胶支座。整个桥跨结构的布置如图1所示。

图1 桥梁总体布置(单位:m)

1.2 有限元模型的建立

采用ANSYS有限元平台建立全桥动力学模型，整个桥梁结构主要包括主梁和桥墩2部分，由于二者均为变截面，故均采用BEAM188单元模拟。主梁结构采用C55混凝土，桥墩结构采用C40混凝土。由于主桥为墩梁固结的连续刚构体系，故1＃，2＃号墩的墩顶与梁底部自由度完全耦合，而引桥为连续梁体系，故3＃，4＃和5＃的墩顶和梁底部除纵向自由度外其余自由度全部耦合，桥台处约束竖向位移和横竖向扭转。整个桥梁结构有限元模型如图2所示。

图2 高墩桥动力分析模型

1.3 桥梁结构动力特性

基于ANSYS中的Modal模块，采用Lanczos方法对该算例桥梁进行动力特性分析。该桥第1阶振型为主桥纵向对称振动，第2阶振型为主桥横向振动，第3阶振型为引桥纵向振动，第4阶振型为全桥横向振动。从表1可以看出，由于主桥和引桥墩高的不同，二者动力特性出现了显著差异，主桥墩高较高，体系较柔，因此在一阶振动中只有主桥发生了纵向振动。

表1 桥梁动力特性

2 近断层脉冲地震动的选取

目前关于近断层地震动的定义还存在较大争议。不少学者都采用断层距Rrup作为近断层地震动的选择标准[7-8]，但是后来IERVOLINO等[9]的研究表明有很大一部分地震动虽然距离断层较近，但是其并不包含显著的长周期脉冲，不属于脉冲地震动。2007年，BAKER[10]提出了基于小波分析的近断层脉冲地震动识别方法，为近断层脉冲地震动的选取提供了一个量化标准。虽然该方法第一次实现了近断层脉冲地震动的量化识别，但是其对一部分地震动需要进行眼观识别，从而判断其脉冲特性。鉴于此，ZHAI等[1，11]提出了一种基于能量的近断层脉冲地震动识别方法，该方法不仅计算量小，而且误判概率小，效率高。因此本文采用该方法来选择近断层脉冲地震动，从而为高墩桥梁的地震响应分析提供依据。

此外，由于近场地震动的脉冲特性受震源机制的影响较大。对于不同的地震事件，由于断层破裂机制、断层上升时间和断层破裂尺寸等复杂因素的影响，地震动的脉冲特性可能差距较大。为了排除震源特性对地震动造成的影响，本文采用ZHAI等提出的近断层脉冲地震动能量识别方法，从1999年台湾集集地震中的地震记录中分别选择了10条脉冲和非脉冲地震记录作为输入地震动，进而研究近场地震动脉冲特性对山区高墩桥梁地震响应的影响。所选择的脉冲和非脉冲地震动详细信息如表2和表3所示，PGA为0.6g，阻尼比ζ＝5%时地震记录平均反应谱如图3所示。

表2 脉冲型地震记录基本信息

表3 非脉冲型地震记录基本信息

图3 选择的地震动记录平均反应谱(ζ＝5%)

从图3中可以看出:当周期小于1 s时(即对于高频部分)，脉冲型地震动和非脉冲型地震动的反应谱均值基本重合，但是对于周期大于1 s的长周期部分，脉冲型地震动的反应谱均值明显要大于非脉冲型地震动。这说明由于脉冲效应的影响，地震记录的长周期反应谱被放大。

3 脉冲效应对高墩桥梁动力响应的影响分析

为了研究脉冲效应对山区高墩桥梁地震响应的影响程度，将表2中的10条脉冲型地震记录和表3中的10条非脉冲型地震记录分别乘以调幅系数(Scale Factor，SF)保证其峰值加速度PGA均为0.6g，然后将其施加于全桥有限元模型，从而获得桥梁结构的动力响应。既往桥梁震害表明地震作用下主梁发生破坏的概率较小，桥梁的地震破坏主要以桥墩破坏为主。而图1中的桥梁模型中主桥的桥墩较高，相邻墩高差较大，结构体系复杂，其发生破坏的可能性最大。因此本章将对1＃和2＃墩的地震响应进行重点分析，详细研究地震动脉冲效应对该桥墩的相对位移和墩底弯矩2个动力响应参数的影响。

图4和图5分别给出了脉冲(PTR)、非脉冲地震(NPTR)作用下1＃，2＃墩的相对位移、墩底弯矩峰值响应。从图4和图5中可以看出近断层脉冲效应对算例桥梁的地震响应有重要影响。以最高墩2＃墩为例，脉冲型和非脉冲型地震作用下2＃墩的墩顶位移平均值分别为37.5 cm和32.3 cm，墩底弯矩分别为10.14×106kN·m和8.38×106kN·m。与非脉冲地震作用相比，脉冲型地震动激励下，桥墩的墩顶位移和墩底弯矩分别增长了16.1%和21.0%。同样，对于1＃墩而言，近断层脉冲地震作用下1＃墩的墩顶位移和墩底弯矩分别增长了16.04%和17.24%。产生这种现象的原因从图3中地震动的反应谱不难进行解释。该算例桥梁一阶模态为1.323 s，在该位置处，脉冲型地震动的平均反应谱明显要大于非脉冲地震动的平均反应谱，而该算例桥梁虽然为高墩桥梁，但是一阶模态的振型质量参与系数也达到了61.15%，一阶振型的贡献相对较大。这两方面的原因导致了近断层脉冲效应对其动力响应产生显著的放大效应。

图4 墩顶位移峰值响应

图5 墩底弯矩峰值响应

4 结论

采用能量识别的方法从集集地震记录中选择了脉冲型和非脉冲型地震动各10条，对一高墩大跨桥梁进行了地震响应分析，研究了近断层脉冲效应对高墩桥梁地震响应的影响。主要结论如下:

1)高墩桥梁主桥和引桥之间动力特性相差较大，地震作用下二者存在明显的不同步振动，从而导致其很容易发发生严重的碰撞；

2)近断层脉冲地震动中速度脉冲对长周期段的反应谱存在显著的放大效应，从而使得在长周期段脉冲地震动的反应谱明显要高于非脉冲地震动的反应谱；

3)近断层脉冲效应将会显著增大高墩桥梁的地震响应，相同的峰值加速度下，最大改变率可达到21.0%，近断层地区的桥梁抗震设计应该充分考虑近断层脉冲效应的不利影响。