近斷層脈沖效應(yīng)對大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)的影響

侯烈，張龍奇，師新虎

近斷層脈沖效應(yīng)對大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)的影響

侯烈1，張龍奇1，師新虎2

(1. 四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

為了研究近斷層脈沖效應(yīng)對大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)的影響，明確近斷層脈沖地震動長周期脈沖和高頻分量對大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)的貢獻。首先采用基于小波分析的近斷層脈沖地震動識別方法從集集地震中選取相同場地下的脈沖/非脈沖2類近斷層地震記錄，并對脈沖型地震動的長周期速度脈沖進行提取，研究長周期、高幅值速度脈沖對近斷層脈沖地震動反應(yīng)譜的放大效應(yīng)。最后以某一大跨度結(jié)合梁斜拉橋為例，研究近斷層速度脈沖效應(yīng)對其地震響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：由于大跨度結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系較柔，自振周期較長，近斷層脈沖效應(yīng)對其地震響應(yīng)的影響顯著，與非脈沖地震作用相比，近斷層脈沖效應(yīng)使得主梁和橋塔的地震響應(yīng)都顯著增大，最大改變率可達177.9%；主梁和橋塔的地震位移響應(yīng)主要由長周期脈沖所決定，高頻成分的影響相對較小，但是對橋塔內(nèi)力響應(yīng)而言，其受近斷層地震動高頻成分的影響較大，在基于內(nèi)力控制的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應(yīng)該充分考慮長周期脈沖和高頻成分2部分的影響。

近斷層脈沖；結(jié)合梁斜拉橋；地震響應(yīng)；小波分析

大跨度結(jié)合梁斜拉橋由于其造型美觀，受力合理，能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土2種材料的性能優(yōu)勢，因此在許多大型的跨江、跨海工程中都得到了廣泛應(yīng)用[1]。上世紀(jì)建成的南浦大橋、楊浦大橋、徐浦大橋以及后來的武漢二七長江大橋等一大批橋梁都采用了這種方案。對于這類大跨度結(jié)合梁斜拉橋而言，其跨度較大，結(jié)構(gòu)體系較柔，自振周期較長，對地震動的長周期成分較為敏感[2]。前場方向性效應(yīng)(Forward Directivity effect)和滑沖效應(yīng)(Fling Step effect)引起的2類近斷層脈沖地震動是最為典型的長周期地震動，其中除了含有豐富的高頻成分外，還包含有顯著的長周期脈沖[3]。近30年來發(fā)生的幾次大地震，美國Northridge地震、日本Kobe地震、臺灣集集地震以及我國2008年的汶川地震等多次地震都集中在淺源近場區(qū)[4]，這類近斷層長周期地震動對橋梁結(jié)構(gòu)的不利影響已得到充分體現(xiàn)，國內(nèi)外很多專家學(xué)者都對其進行了深入的研究。陳令坤等[5]研究了近斷層脈沖效應(yīng)對多跨簡支梁橋非線性地震響應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明：與遠場地震作用相比，近斷層方向脈沖效應(yīng)會顯著增大橋梁結(jié)構(gòu)的變形；夏修身等[6]以斷層距作為近斷層地震動的識別參數(shù)，研究了近斷層地震動對高墩鐵路橋梁高墩搖擺反應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明近斷層地震動會顯著增大高墩墩頂?shù)膿u擺位移。孫穎等[7]以某五跨一聯(lián)的隔震連續(xù)梁橋為例，研究具有明顯脈沖的近、遠場長周期地震動作用下鉛芯橡膠支座(LRB)和摩擦擺(FPB)的減震效果，研究結(jié)果表明長周期地震作用下隔震支座的隔震效果會嚴重下降。目前關(guān)于近斷層長周期地震動對結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究主要是以斷層距作為選擇近/遠場地震記錄的依據(jù)，進而通過結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析研究脈沖地震動對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。近斷層脈沖地震動的長周期和高頻分量對橋梁地震響應(yīng)的影響并不明確。此外，目前的研究對象主要集中在簡支梁和連續(xù)梁等常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)，通常這類結(jié)構(gòu)的剛度較大，自振周期較小，脈沖周期T與結(jié)構(gòu)自振周期的比值T/較大，地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)主要以一階模態(tài)的貢獻為主。對于大跨度結(jié)合梁斜拉橋而言，其結(jié)構(gòu)較為輕柔，地震作用下，高階振型的參與較大，自振周期與脈沖周期T更為接近，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能性更大，近斷層脈沖地震動對結(jié)構(gòu)的不利影響將會更加嚴重。鑒于此，本文以在建的某一大跨度結(jié)合梁斜拉橋為例，基于ANSYS建立其三維空間有限元模型，對其進行地震響應(yīng)分析，研究近斷層脈沖效應(yīng)對大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)的影響，從而為近斷層地區(qū)大跨度結(jié)合梁斜拉橋的抗震設(shè)計提供參考。

1 近斷層脈沖地震動的選取及頻譜特性分析

1.1 近斷層脈沖地震動的選取

目前，關(guān)于近斷層地震動的定義還存在較大爭議，不少學(xué)者都采用斷層距作為近斷層地震動的劃分標(biāo)準(zhǔn)[8?9]，根據(jù)CALTRANS的采用的定義方式，斷層距小于10英里(約15 km)的地震動都為近斷層地震動[8]，而Stewart等[9]考慮到近場效應(yīng)受到震級和場地條件等各種因素的影響，將斷層距20~60 km的區(qū)域作為界定近場和遠場的依據(jù)。Iervolino等[10]的研究表明并不是所有的近斷層地震記錄都為脈沖地震記錄，很大一部分近斷層地震記錄中并不包含脈沖成分，其特性和遠場地震動并無差別。Baker[11]通過連續(xù)小波變換對近斷層脈沖地震動進行識別，從而實現(xiàn)了對近斷層脈沖地震動和非脈沖地震動的有效區(qū)分，并得到了普遍的認同，因此，本文采用該方法選擇近斷層脈沖地震記錄和非脈沖地震記錄，從而為近斷層作用下大跨度結(jié)合梁斜拉橋的地震響應(yīng)提供依據(jù)。

除了地震動的長周期脈沖外，場地效應(yīng)也是影響橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的一個重要因素。為了對場地效應(yīng)的影響進行考慮，本文采用30 m土層平均剪切波速30作為場地條件的表征，分別從太平洋地震中心PEER數(shù)據(jù)庫選擇了相同場地下的脈沖地震記錄TCU036-EW (簡稱TCU036)和非脈沖地震記錄TCU070-EW (簡稱TCU070)作為分析依據(jù)。

表1 地震動詳細信息

圖1 TCU036-EW地震記錄

表1分別為TCU036和TCU070 2條地震記錄的詳細信息，圖1和圖2為2條地震動的速度時程和按照連續(xù)小波變換提取的脈沖時程。其中表1中的脈沖指標(biāo)P即為按照Baker[11]所提出的脈沖地震動識別方法計算出的脈沖性指標(biāo)，當(dāng)P大于0.85，該地震動即被判定為脈沖型地震動，當(dāng)P小于0.15即被判定為非脈沖地震記錄。從表1和圖1~2中可以看出，雖然TCU036和TCU070 2條地震動均來自于同一次地震，并且斷層距和場地條件都相同，但是由于地震動測站與斷層相對位置的隨機性，2條地震記錄顯示出完全不同的脈沖性，TCU036速度時程中包含有一個顯著的長周期高幅值脈沖，屬于典型的脈沖型地震動，而根據(jù)Baker[11]所提出的脈沖地震動識別方法，其脈沖指標(biāo)P為0.999 9，按照脈沖地震動分類標(biāo)準(zhǔn)，其也屬于脈沖型地震動，由此也證明了Baker所提出的脈沖地震動識別方法的有效性。

圖2 TCU070-EW地震記錄

1.2 近斷層地震動的反應(yīng)譜分析

鑒于TCU036和TCU070 2條地震脈沖性的顯著差異，有必要對其進行頻譜特性的分析。圖3(a)和圖3(b)分別為阻尼比為5%時TCU036和TCU070 2條地震記錄的擬加速度反應(yīng)譜和擬速度反應(yīng)譜(PGA統(tǒng)一調(diào)整到0.3，調(diào)幅系數(shù)見表1)。

從圖3中可以看出：對于線彈性的單自由度體系而言，當(dāng)周期小于1 s時非脈沖地震動記錄TCU070的反應(yīng)譜明顯要高于脈沖型地震動TCU036的譜值，但是當(dāng)周期大于1 s后，脈沖地震記錄TCU036的反應(yīng)譜明顯要高于非脈沖地震動TCU070的反應(yīng)譜，而且在周期為4 s位置處附近，二者的差距達到最大。由此說明了近斷層脈沖效應(yīng)對地震動的反應(yīng)譜存在顯著的放大效應(yīng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期恰好落在這一附近時，其地震需求將顯著的增大。

(a) 加速度反應(yīng)譜；(b) 擬速度反應(yīng)譜

2 近斷層速度脈沖對單自由度系統(tǒng)(SDOF)位移響應(yīng)的影響

由于在基于位移性能的橋梁抗震設(shè)計中，一般以最大位移作為工程需求參數(shù)，因此這里研究近斷層速度脈沖效應(yīng)對單自由度系統(tǒng)(SDOF)位移響應(yīng)的影響。該單自由度系統(tǒng)滿足：1) 自振周期位于0.02~10 s，大部分工程結(jié)構(gòu)的自振周期都位于該周期范圍內(nèi)；2) 延性系數(shù)為1，即該系統(tǒng)為線彈性系統(tǒng)；3) 阻尼比=5%。

圖5分別為TCU036，TCU070以及按照連續(xù)小波變換[11]從TCU036速度時程中提取的脈沖作用下該單自由度系統(tǒng)的位移響應(yīng)。從圖5中可以看出，脈沖地震記錄TCU036作用下，在整個周期內(nèi)單自由度系統(tǒng)的位移響應(yīng)都隨著結(jié)構(gòu)自振周期的增大而增大。而非脈沖地震記錄TCU070作用下，雖然在周期5 s位置處出現(xiàn)了一個顯著的峰值，但是整體而言，隨著自振周期的增大，單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。在TCU036的長周期脈沖時程作用下，隨著結(jié)構(gòu)周期的增大，單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)呈現(xiàn)出現(xiàn)增大后減小的趨勢，并且當(dāng)結(jié)構(gòu)周期在8 s位置處達到了最大值。這主要是由于該長周期脈沖中高頻成分都已經(jīng)被過濾，僅含有長周期成分，其頻率成分相對較為單一所導(dǎo)致的。

圖4 單自由度體系計算模型

圖5 單自由度體系位移響應(yīng)

此外，從圖5中還可以看出，對于長周期結(jié)構(gòu)而言，TCU036地震記錄以及其對應(yīng)的長周期脈沖作用下，單自由度系統(tǒng)的位移響應(yīng)十分接近，由此說明了對于長周期結(jié)構(gòu)，其地震響應(yīng)主要是由速度時程中含有的長周期高幅值脈沖所決定的，高頻成分對其貢獻很小，因此在其抗震性能分析時應(yīng)該考慮近斷層脈沖效應(yīng)的影響，否則將嚴重低估結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

3 研究對象與橋梁有限元模型

3.1 工程背景及橋梁結(jié)構(gòu)建模

本文以某大跨度結(jié)合梁斜拉橋為例，研究近斷層脈沖效應(yīng)對大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)的影響。該橋主跨720 m，全長1 355 m，跨徑布置為70 m+93 m+142 m+720 m+240 m+90 m。主梁采用鋼?混結(jié)合梁，梁高3.8 m，橋面寬度36.5 m。橋塔采用H型橋塔，塔高238 m，上塔柱高69.33 m材料為C55預(yù)應(yīng)力混凝土，斜拉索采用抗拉強度1 670 MPa高強平行鋼絲索，標(biāo)準(zhǔn)間距12 m，全橋共設(shè)116對(232根)，索面呈扇形布置，支撐體系為半漂浮體系，整個橋梁結(jié)構(gòu)布置如圖6所示。

單位：m

圖7 結(jié)合梁斜拉橋動力計算模型

基于ANSYS有限平臺建立橋梁結(jié)構(gòu)動力計算三維有限元模型，整個橋梁結(jié)構(gòu)包括主梁、拉索、橋塔、邊墩以及輔助墩5個部分。橋塔、邊墩及輔助墩均采用BEAM44單元進行模擬，拉索采用LINK8單元進行模擬，主梁的鋼箱部分采用BEAM44單元模擬，混凝土橋面板采用SHELL181單元進行模擬。主梁與橋塔、邊墩和輔助墩均采用節(jié)點耦合的方式設(shè)置主從約束，墩底和塔底均采用固結(jié)，即不考慮土?結(jié)構(gòu)相互作用。整個橋梁結(jié)構(gòu)空間有限元模型如圖7所示。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)動力特性

基于上述有限元動力計算模型，采用Lanczos方法對該算例橋梁進行動力特性分析，限于文章篇幅，表2僅列出了前5階振型的頻率和對應(yīng)的振型特征。從表2中可以看出，該橋梁1階模態(tài)為全橋縱向漂移，自振周期為9.07 s，符合該類橋型的特點，屬于典型的長周期結(jié)構(gòu)。由于主梁采用的是鋼?混結(jié)合梁斜拉橋，截面類似與π型截面，橫向剛度較小，因此第2階振型表現(xiàn)為對稱側(cè)彎，且早于了主梁對稱豎彎出現(xiàn)；橋塔的側(cè)彎振型從第4階開始出現(xiàn)，并且最早出現(xiàn)的是右側(cè)橋塔的側(cè)彎，這主要是由于右側(cè)只有一個輔助墩，而左側(cè)有2個輔助墩，因此左側(cè)橋墩產(chǎn)生的約束更強，橋塔的振動頻率也就更高。

表2 橋梁動力特性

4 大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)分析

為了研究近斷層脈沖效應(yīng)對大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)的影響，將TCU036和TCU070 2條地震記錄以及按照連續(xù)小波變化提取的TCU036長周期脈沖分別乘以調(diào)幅系數(shù)，使其峰值加速度達到0.3，然后將其按照縱向輸入計算模型，通過時程分析獲得橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

4.1 橋塔地震響應(yīng)

圖8~9分別為TCU036和TCU070以及TCU036長周期脈沖作用下該橋主塔縱向位移和剪力的峰值響應(yīng)包絡(luò)曲線。從圖8和圖9中可以看出：

圖8 橋塔縱向位移響應(yīng)峰值

圖9 橋塔縱向剪力響應(yīng)峰值

1) 隨著橋塔高墩的增加，橋塔位移呈逐漸增大的趨勢，在塔頂位置處，位移達到最大，而主塔內(nèi)力總體呈逐漸下降的趨勢，在下塔柱位置處，主塔的內(nèi)力增長最為明顯，并且在塔底位置處，橋塔內(nèi)力達到了最大值，這符合斜拉橋的受力特點；

2) 近斷層脈沖效應(yīng)對大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)有顯著的影響。以塔頂位移為例，TCU036作用下，塔頂位移為188.65 cm，而TCU070作用下，塔頂位移為105.72 cm。與非脈沖地震作用相比，近斷層脈沖效應(yīng)使得塔頂位移增長了78.44%。同樣，對于塔底剪力而言，與非脈沖地震記錄TCU070作用相比，TCU036作用下，其增長了48.01%。由此說明了脈沖型地震對大跨度結(jié)合梁斜拉橋的地震響應(yīng)有著不利的影響，在近斷層地區(qū)的橋梁抗震設(shè)計時，應(yīng)該充分考慮近斷層脈沖效應(yīng)的影響；

3) TCU036原始地震記錄以及其對應(yīng)的長周期脈沖地震作用下，橋塔的位移基本完全重合，而上塔柱的內(nèi)力也基本完全相等，但是下塔柱的內(nèi)力存在較大差異。由此說明了對于橋塔位移而言，其地震響應(yīng)主要是長周期脈沖的貢獻，但是對于橋塔內(nèi)力而言，高頻成分的影響也非常大，在以內(nèi)力控制為主的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，應(yīng)該充分考慮近斷層的長周期脈沖和高頻成分2部分對結(jié)構(gòu)抗震性能的 影響。

4.2 主梁地震響應(yīng)

圖10為TCU036和TCU070以及TCU036長周期脈沖作用下該算例橋梁主梁的豎向位移響應(yīng)峰值包絡(luò)曲線。從圖10中可以看出：主梁的豎向位移整體呈兩邊小、中間大的趨勢，在跨中偏右的地方達到了最大值，并且左右兩側(cè)的變形顯示出明顯的不對稱。這主要是由于跨中跨度最大，剛度較小，地震作用下主梁的豎向位移最大，但是由于左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)不對稱，因此主梁豎向位移最大值出現(xiàn)在了跨中偏右的位置。此外，從圖10中還可以看出，與主塔地震響應(yīng)類似，近斷層脈沖效應(yīng)對主梁的地震響應(yīng)產(chǎn)生了顯著的影響，以中跨豎向位移最大值為例，非脈沖地震TCU070作用下，主梁豎向位移最大值僅為68.79 cm，而脈沖地震動作用下TCU036作用下，主梁的豎向位移最大值達到了191.17 cm，近斷層脈沖效應(yīng)使得主梁的豎向位移增大了177.9%。

對比TCU036及其對應(yīng)長周期脈沖作用下主梁的豎向位移可以發(fā)現(xiàn)，TCU036原始地震記錄下主梁的豎向位移與其脈沖時程作用下主梁的豎向位移非常接近，特別是左右兩側(cè)的邊跨，二者基本完全重合。由此說明了主梁的豎向位移主要是有近斷層脈沖地震動的長周期脈沖成分控制的，高頻成分對其影響較小。

圖10 主梁豎向位移響應(yīng)峰值

綜上所述可以得出，近斷層脈沖效應(yīng)對大跨度結(jié)合梁斜拉橋的地震響應(yīng)有著顯著的影響，近斷層脈沖效應(yīng)使得大跨度斜拉橋的橋塔和主梁的變形都顯著增大，在近斷層地區(qū)的橋梁抗震設(shè)計時應(yīng)該充分考慮近斷層脈沖效應(yīng)的不利影響。

5 結(jié)論

1) 由于地震動測站和斷層空間相對位置的隨機性，近斷層地震記錄可能顯示出不同的脈沖特性，部分近斷層地震記錄中可能并不含有長周期、高幅值脈沖。

2) 與非脈沖地震作用相比，近斷層脈沖地震作用下，大跨度結(jié)合梁斜拉橋的地震響應(yīng)顯著增大，主梁和橋塔的地震響應(yīng)改變率最大分別可達到177.9%和78.44%，近斷層和跨斷層的大跨度結(jié)合梁斜拉橋抗震設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分考慮近斷層脈沖效應(yīng)的不利影響。

3) 近斷層脈沖作用下大跨度結(jié)合梁斜拉橋的主塔位移響應(yīng)主要是長周期成分的貢獻，高頻成分的影響基本可以忽略不計，但是對其內(nèi)力響應(yīng)而言，高頻成分將激起橋塔的高階振型，從而對其內(nèi)力產(chǎn)生顯著的影響，橋塔的抗震設(shè)計應(yīng)當(dāng)同時考慮長周期脈沖和高頻成分2部分的影響。

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Influence of near-fault pulse effect on seismic response of long-span composite girder cable-stayed bridge

HOU Lie1, ZHANG Longqi1, SHI Xinhu2

(1. Sichuan Vocational and Technical College of Communications, Chengdu 611130, China; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study the effect of near fault pulse effect on seismic response of long-span combined beam cable-stayed bridge cable-stayed bridge, determine the contribution of long-period impulse and high-frequency component of near-fault impulse ground motion to the seismic response of long-span composite beam cable-stayed bridge. Firstly, two types of near-fault seismic records, namely, pulse/non-pulse, were selected from the Chi-Chi earthquake by using the wavelet analysis-based method, and the long period velocity pulse extracted. The amplification effect of long-period and high-amplitude velocity pulses on seismic response spectrum was studied. Then the influence of the near-fault pulse effect on the seismic response of a cable-stayed bridge with a large span combined beam was compared. The results from this research show that: Because of the flexible structure system of the long-span combined beam cable-stayed bridge, the self-vibration period is longer, and the near fault pulse effect has a significant influence on its seismic response. Compared with the non-pulse earthquake,thenear-fault impulse effect makes the seismic response of the main beam and the bridge tower increase significantly, and the maximum change rate is up to 177.9%; The seismic displacement response of girder and tower is mainly determined by the long period pulse, the influence of high frequency components is relatively small. As for the internal force response of the bridge tower, it is greatly influenced by the high frequency component of the near fault ground motion. In the seismic design based on internal force control, the effect of two parts of the long period pulse and the high frequency component should be fully considered.

near-fault impulsive; composite cable-stayed bridges; seismic response; wavelet analysis

U442.5

A

1672 ? 7029(2019)10? 2514 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.018

2019?01?02

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1434205)；教育部春暉計劃資助項目(Z2014032)；中國鐵路總公司科技開發(fā)項目(2015G002-A)

侯烈(1978?)，男，四川達州人，副教授，從事橋梁設(shè)計與研究工作；E?mail：10619975@qq.com

(編輯 陽麗霞)