高速鐵路連續(xù)梁橋近斷層地震易損性分析

陳偉， 王冠， 杜彥良， 曹昱洲， 徐瑞祥， 郭進(jìn)

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043； 2. 石家莊鐵道大學(xué) 河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；3. 河北省減隔震技術(shù)與裝置工程技術(shù)研究中心，河北 衡水 053000)

我國地震斷裂帶分布廣泛，高速鐵路橋梁建設(shè)會不可避免地橫跨斷層或處于斷層附近[1]，如津秦高速客運(yùn)專線地處華北平原地震帶；滬昆高鐵客運(yùn)專線云南路段位于歐亞地震區(qū)帶的東段側(cè)緣，屬于強(qiáng)震多發(fā)地帶。我國臺灣地區(qū)于1999年集集地震后修訂了相關(guān)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮了近斷層地震的速度脈沖效應(yīng)。而國內(nèi)的相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范尚缺少對近斷層地震動的特殊考慮[2]。因此，研究高速鐵路橋梁在近斷層地震作用下的安全性具有重要意義。

減隔震技術(shù)為橋梁抗震設(shè)計(jì)提供了新的途徑，但是不同學(xué)者對其抵御近斷層地震的有效性持不同觀點(diǎn)：廖文義等[3]指出減隔震支座在近斷層地震作用下會產(chǎn)生過度變形，從而可能對橋梁結(jié)構(gòu)和支座裝置造成更嚴(yán)重的損壞；Michael等[4]研究了在近斷層地震動作用下，斜拉橋隔震技術(shù)的有效性；王統(tǒng)寧等[5]研究表明，橋梁在近斷層地震作用下，隔震支座的減震效果降低，近斷層地區(qū)橋梁不宜采用鉛銷橡膠支座隔震；雷濤等[6]分析了近斷層附近的橋梁震害，表明合理的支座設(shè)計(jì)，能夠有效地防止落梁發(fā)生。

基于以上研究，本文將運(yùn)用理論易損性分析方法，分析我國高速鐵路普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋在不同特征的近斷層地震和遠(yuǎn)場地震下的損傷概率，以說明近斷層地震的危害性，并指出減隔震措施對高速鐵路橋梁的地震反應(yīng)控制效果。

1 模型介紹與地震波的選擇

1.1 模型介紹

本文采用的模型是某雙線高速鐵路客運(yùn)專線上的一座三跨連續(xù)梁橋，連續(xù)梁橋的跨徑布置為60+100+60 m，總體布置見圖1。其中16#、17#墩高為15 m，15#、18#墩為過渡墩。為考慮相鄰簡支梁橋的影響，計(jì)算模型兩側(cè)各引入一跨簡支梁。地震波輸入方向?yàn)轫槝蛳?，不考慮豎向地震動的影響。

圖1 某高速鐵路三跨60+100+60 m連續(xù)梁橋布置Fig.1 A high-speed railway of three-span 60+100+60 m continuous beam bridge layout

模型基于SAP2000有限元軟件建立。橋梁的上部結(jié)構(gòu)用彈性框架單元模擬，不考慮材料的非線性。橋墩用框架單元模擬，沒有考慮材料的隨機(jī)性，對于橋墩構(gòu)件的塑性性能用塑性鉸模擬。樁土相互作用的土彈簧參數(shù)通過《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的“m”法確定，計(jì)算時(shí)采用等效的“六彈簧模型”，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

1.2 地震記錄的選取

近幾十年來，近斷層地震時(shí)有發(fā)生，給人類造成了巨大的災(zāi)難和損失[7]。相比于遠(yuǎn)場地震，近斷層地震具有諸多特點(diǎn)[8]，主要包括：近斷層地震動的方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)、速度脈沖效應(yīng)、上盤效應(yīng)、豎向加速度效應(yīng)等，其中突出的特點(diǎn)是速度脈沖效應(yīng)[9-10]。這種脈沖是長周期、短持時(shí)、有明顯峰值的高能量脈沖。常見的速度脈沖有2種，即破裂向前方向性效應(yīng)(rupture forward directivity)速度脈沖、滑沖效應(yīng)(fling step)速度脈沖。本文將重點(diǎn)分析這2種脈沖作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

通常震源機(jī)制有多種，如傾滑斷層、走滑斷層，淺源地震和深源地震等，為排除不同震源機(jī)制的影響，本文選取臺灣集集地震記錄作為地震輸入。且Shome[11]研究表明：采用增量動力分析(incremental dynamic analysis，IDA)時(shí)，選取10～20條地震記錄即可滿足精度要求。依據(jù)近斷層地震的特點(diǎn)，選取滑沖效應(yīng)近斷層地震記錄10條；前方向效應(yīng)近斷層地震記錄10條；以及遠(yuǎn)場地震記錄10條，見表1，斷層距(測站與斷層表面的距離)超過20 km為遠(yuǎn)場地震。

表1 臺灣集集地震記錄Table 1 Recordings of the Chi-Chi, Taiwan earthquake

2 地震易損性分析方法

地震易損性可以采用連續(xù)的地震易損性曲線描述，其中，理論易損性曲線又因其工作量小、計(jì)算結(jié)果也較準(zhǔn)確而被廣泛應(yīng)用[12]。本文采用基于非線性時(shí)程分析方法[13]的增量動力分析(incremental dynamic analysis，IDA)方法[14]進(jìn)行理論易損性分析。

2.1 易損性分析流程

2.1.1 地震強(qiáng)度指標(biāo)和損傷量化指標(biāo)

基于Mackie[15]、Padgett[16]的研究，本文以地面峰值加速度PGA作為強(qiáng)度指標(biāo)。選取墩頂位移作為算例橋梁的損傷量化指標(biāo)，并依據(jù)Hwang[17]等的研究，將算例橋梁在地震下的損傷狀態(tài)分為無損傷、輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、完全破壞(倒塌狀態(tài))。算例連續(xù)梁僅在16#墩順橋向布置固定支座，其余均為縱向滑動支座。因此，16#墩即為順橋向最易破壞構(gòu)件，其墩底截面及彎矩-曲率曲線如圖2所示。對16#墩進(jìn)行Pushover分析，最終得到墩底截面彎矩-曲率與墩頂位移的關(guān)系，具體描述見表2。

圖2 16#墩底截面及彎矩-曲率曲線Fig.2 16# pier bottom section and moment-curvature curve

表2 損傷狀態(tài)及損傷量化指標(biāo)的描述Table 2 Description of damage status and damage quantitative indicators

注：D為構(gòu)件墩頂位移，Dy=0.1 m為構(gòu)件塑性鉸區(qū)等效屈服曲率對應(yīng)的墩頂位移，D0.4 u=0.46 m為0.4倍的構(gòu)件塑性鉸區(qū)極限曲率對應(yīng)的墩頂位移，D0.6 u=0.66 m為0.6倍的構(gòu)件塑性鉸區(qū)極限曲率對應(yīng)的墩頂位移，Du=1.0 m為構(gòu)件塑性鉸區(qū)極限曲率對應(yīng)的墩頂位移。

2.1.2 易損性分析方法

易損性曲線可以用條件概率表示為：

(1)

式中:Pf為損傷概率；Dd為地震需求響應(yīng)；Dc為橋梁結(jié)構(gòu)能力；IM為地震強(qiáng)度指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)地震需求(Dd)與地震強(qiáng)度指標(biāo)(IM)之間關(guān)系：

(2)

式中：a、b為回歸系數(shù)。

(3)

3 高速鐵路普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋抗震對比分析

3.1 高速鐵路普通連續(xù)梁橋抗震分析

對處于不同地震下的普通連續(xù)梁橋進(jìn)行基于IDA方法的地震易損性分析和抗震倒塌概率分析。

3.1.1 易損性分析

由圖3可以看出：1)峰值加速度PGA相同時(shí)，相比于遠(yuǎn)場地震，近斷層地震下結(jié)構(gòu)的損傷概率更大，即近斷層地震更具破壞性。以圖3(b)為例，PGA等于1.0g時(shí)，近斷層地震作用下結(jié)構(gòu)的損傷概率等同于遠(yuǎn)場地震1.4g時(shí)的作用效果，因此在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將近斷層地震的特點(diǎn)納入考慮；2)地震強(qiáng)度相同時(shí)，與前方向效應(yīng)相比，滑沖效應(yīng)損傷概率往往更大，說明滑沖效應(yīng)危害性更強(qiáng)。

圖3 不同地震下高速鐵路普通連續(xù)梁橋易損性曲線Fig.3 Vulnerability curves of high-speed railway ordinary continuous beams under different earthquakes

3.1.2 抗震倒塌概率分析

表3中列舉了我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中常用的3個(gè)抗震設(shè)防水準(zhǔn)，多遇地震、頻遇地震和罕遇地震。但由于地震的復(fù)雜性、突發(fā)性和未知性，也會偶爾出現(xiàn)一些超過基準(zhǔn)設(shè)防烈度的地震。如唐山大地震，其設(shè)防烈度為6度，實(shí)際最大烈度卻達(dá)到了11度，峰值加速度約為設(shè)計(jì)加速度的20倍[18]；設(shè)防烈度為7度的玉樹地震，實(shí)際最大烈度為11度[19]；2015年的尼泊爾地震，最高烈度為9度。

鑒于以上分析，本文在規(guī)范基礎(chǔ)上增加2個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)，極大地震I和極大地震II。其中極大地震I參考了文獻(xiàn)[20]的規(guī)定，極大地震II參考了上述列舉的近年來經(jīng)常發(fā)生的超烈度地震實(shí)際地震加速度峰值，設(shè)定為1 000 cm·s-2，如表3所示。

表3時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程的最大值

Table3Maximum time history of seismic acceleration used in time history analysis

cm·s-2

根據(jù)表3中的值，計(jì)算算例橋梁在設(shè)防烈度為8.5度時(shí)不同損傷狀態(tài)下的損傷概率，見表4。

表4設(shè)防烈度為8.5時(shí)不同地震下連續(xù)梁橋的中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、倒塌概率

Table4Medium damage/severe damage/collapse probability of continuous beam bridges under different earthquakes with a fortification intensity of8.5

%

分析表4的計(jì)算結(jié)果，極大地震作用下，橋梁會出現(xiàn)一定程度的損傷。因此，為預(yù)防超烈度地震尤其是具有近斷層效應(yīng)的超烈度地震，應(yīng)考慮近斷層地震的特點(diǎn)；對于特別重大的工程，甚至應(yīng)適當(dāng)考慮提高相應(yīng)的抗震設(shè)防水準(zhǔn)。

3.2 高速鐵路減隔震連續(xù)梁橋抗震分析

3.2.1 新型限位型減隔震支座

相關(guān)研究表明防落梁裝置和減隔震技術(shù)應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)抗震策略一般都是將減隔震技術(shù)與防落梁裝置分開來談，使得裝置的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)適用性差。針對這一問題,郭進(jìn)等[21-22]從一些常規(guī)的減隔震裝置中獲得啟發(fā)，研發(fā)了一種高阻尼橡膠拉壓耗能型易修復(fù)減隔震支座。圖4所示為新型支座構(gòu)造圖，新型支座基于盆式支座，將減隔震與限位功能集于一體，具體見文獻(xiàn)[22]。

由于支座制作存在誤差，支座的初始拉、壓間隙值可能稍有差別，為方便計(jì)算，設(shè)定支座拉、壓間隙值相等，并將非線性的橡膠塊剛度簡化為線性。圖5為支座各單元的骨架曲線及整體力學(xué)模型，其中限位單元的剛度k3遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠塊的剛度k2。

模擬新型支座，用雙線性塑性連接單元里的隨動硬化模型(Kinematic)模擬摩擦滯回關(guān)系；用多段線彈性連接單元模擬間隙和橡膠塊單元、限位單元。多段線彈性連接單元沿著相同的路徑加卸載，這一過程沒有能量的耗散。

3.2.2 易損性分析

同普通連續(xù)梁橋分析方法一致，分析上述新型支座高速鐵路連續(xù)梁橋。由圖6可以看出，在近斷層地震或遠(yuǎn)場地震作用下，同一損傷狀態(tài)的減隔震連續(xù)梁橋易損性曲線趨于接近或重合，表明新型支座對近斷層地震的減隔震效果顯著。

注：1.支座主體，2.上支座板，3.原支座底盆，4.外加支座底盆，5.聚四氟乙烯板，6.不銹鋼板，7.高阻尼橡膠塊，8.外連接鋼板，9.內(nèi)連接鋼板，10.鋼連桿，11.連桿限位件，12.連接螺栓，13.限位螺栓，14.限位擋塊。圖4 新型支座構(gòu)造圖Fig.4 Structural diagram of new spacing support

圖5 支座各單元及整體的力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of different elements and supports

圖6 不同地震下高速鐵路減隔震連續(xù)梁橋易損性曲線Fig.6 Vulnerability curves of high-speed railway of seismic-isolation continuous beams under different earthquakes

3.3 高鐵普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋?qū)Ρ确治?/h3>

為評估新型支座的抗震性能，列出具有滑沖效應(yīng)的近場地震作用下，高速鐵路普通連續(xù)梁橋和減隔震連續(xù)梁橋的易損性曲線，如圖7所示。比較上述結(jié)構(gòu)的易損性曲線，可以發(fā)現(xiàn)，與普通連續(xù)梁橋相比，滑沖效應(yīng)地震作用下，減隔震連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)明顯減弱。實(shí)際上，在前方向性效應(yīng)近場地震和遠(yuǎn)場地震作用下，具有相似的結(jié)論，限于篇幅，此處沒有列出。

圖7 滑沖效應(yīng)下高速鐵路連續(xù)梁橋易損性曲線Fig.7 Vulnerability curves of high-speed railway continuous beams under fling step

表5為設(shè)防烈度8.5時(shí)，滑沖效應(yīng)下不同地震影響對應(yīng)的高速鐵路普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋的損傷概率。分析可知，隨著地震影響強(qiáng)度的增加，同一損傷狀態(tài)下，減隔震橋梁與非隔震橋梁的損傷概率差值越大，說明新支座能夠有效地減少結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，具有良好的減隔震功能。

表5設(shè)防烈度8.5時(shí)滑沖效應(yīng)下普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋的中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、倒塌概率

Table5Medium damage/severe damage/collapse probability of continuous beam bridges and seismic-isolation continuous beam bridges under fling step with a fortification intensity of8.5

%

4 結(jié)論

1)同一地震強(qiáng)度下，近斷層地震比遠(yuǎn)場地震更具破壞性，特別是滑沖效應(yīng)的近斷層地震危害性更強(qiáng)，即在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將近斷層地震的特點(diǎn)納入考慮；超烈度地震下，高速鐵路橋梁會出現(xiàn)一定程度的損傷，為預(yù)防超烈度地震尤其是具有近斷層效應(yīng)的超烈度地震，對于特別重大的工程，在進(jìn)行抗震設(shè)防時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮近斷層地震的特點(diǎn)，甚至提高抗震設(shè)防水準(zhǔn)。

2)同一地震強(qiáng)度下，相比于普通高速鐵路橋梁，采用新型支座的減隔震橋梁的損傷概率更小，說明新型支座能夠有效地減少結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；同一損傷狀態(tài)下，減隔震連續(xù)梁橋易損性曲線基本接近重合，說明新型支座對近斷層地震的作用效果顯著。

采用減隔震系統(tǒng)后，地震作用下的位移反應(yīng)將相應(yīng)增大，這對于線路軌道結(jié)構(gòu)及其通行性的影響還需進(jìn)一步研究。