近斷層長周期地震波對橋臺-引橋-剛構(gòu)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系地震響應的影響

魏俊杰，張超，鄔曉光，張文韜

(1. 武漢大學 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072；2. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710054)

在歷次地震中橋梁主梁之間以及主梁和橋臺間的碰撞現(xiàn)象十分常見，劇烈的碰撞容易引起墩梁間相對位移過大而造成主梁局部損傷甚至落梁[1-2]。三跨高低墩剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的矮墩處盆式橡膠支座屈后剛度幾乎為零，地震時巨大的水平慣性力將由柔性剛構(gòu)墩承擔，造成柔性制動墩抗震問題突出，同時較大主梁水平位移使伸縮縫處碰撞效應顯著[3]。研究表明長周期地震波廣泛存在于近遠場地震中，相較于普通地震波具有更劇烈的破壞性，是近斷層橋梁在地震作用下倒塌和損毀的主要原因[4-6]。國內(nèi)外學者針對碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應的影響開展了一系列研究。李建中等[7]針對西部山區(qū)典型非規(guī)則多跨連續(xù)梁橋進行了碰撞響應分析。鄧育林等[8-11]均以西部山區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋為研究背景，分析考慮了土-橋臺-上部結(jié)構(gòu)相互作用后碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應的影響。AMJADIAN 等[12]分析了碰撞對于曲線梁橋平面位移的影響，并進行了詳細的參數(shù)分析。WIESER 等[13]通過振動臺試驗分析了碰撞對曲線梁橋的影響，并與直梁橋進行了對比分析。IJIMA 等[14]利用模型試驗分析了碰撞對斜曲線梁橋的影響，并研究了斜曲線梁橋的防倒塌措施。焦馳宇等[15]利用振動臺試驗分析了碰撞對小半徑曲線橋的影響。閆聚考等[16]通過振動臺試驗分析了大跨度懸索橋與引橋的碰撞效應。國巍等[17-18]分析了近斷層地震波對高鐵多跨簡支梁橋的彈塑性反應影響。侯烈等[19]分析了近斷層地震波脈沖效應對大跨結(jié)合梁斜拉橋地震響應的影響。因此，在近斷層長周期地震波作用下，碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應影響的研究目前主要集中在連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、簡支梁和三跨曲線梁等常規(guī)橋型，而針對三跨高低墩剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的研究則相對較少。本文以西寶高速改擴建中某三跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋為研究對象，分析不同類型長周期地震波和脈沖型地震波脈沖周期對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應的影響。

1 工程概況

橋梁跨徑布置為(3×20+65+120+65+3×20) m，橋梁全長370.5 m，主橋最大墩高54.95 m。主橋為預應力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合體系，由單箱單室箱形斷面組成；下部主墩為單薄壁空心墩，樁基礎(chǔ)；分割墩為雙柱式墩，樁基礎(chǔ)；引橋上部結(jié)構(gòu)為3×20 m預應力混凝土先簡支后連續(xù)小箱梁，由5片預制小箱梁通過橫向聯(lián)系拼接而成，下部為柱式墩、樁基礎(chǔ)；兩側(cè)橋臺均為肋板式橋臺，樁基礎(chǔ)。全橋跨徑布置立面圖如圖1所示，從左往右的墩臺編號依次為0 號臺，1 號，2 號，3 號，4 號，5 號，6號，7 號，8 號墩和9 號臺，墩高依次為5.5，6.0，10.5，54.95，10.05，6.0，6.0 和5.5 m。其中3 號和6號分隔墩處設(shè)置240型伸縮裝置，0號和9號橋臺處設(shè)置80 型伸縮裝置。引橋在橋臺、過渡墩處共設(shè)置10 個滑板式橡膠支座，型號GYZF4 d425×65；引橋中間墩各設(shè)置10 個板式橡膠支座，型號為GYZ d570×71；主橋在過渡墩處各設(shè)置2 個單向活動盆式支座，型號JPZ(KZ)7DX；3 號活動墩采用3 個單向活動盆式支座，型號為JPZ(KZ)30DX。墩臺樁基均采用摩擦樁，橋臺持力層為老黃土，其余樁基持力層為老黃土、粉質(zhì)黏土、圓礫、細沙和卵石。車輛荷載等級按公路Ⅰ級進行設(shè)計。

2 有限元建模和邊界條件模擬

運用有限元軟件CSIBridge 建立主橋結(jié)構(gòu)與引橋碰撞的彈塑性動力分析計算模型，沿縱橋向進行一致激勵，且不考慮近斷層地震波的豎向高頻分量。主梁和橋墩采用梁單元，梁和墩柱的單元劃分能夠反映結(jié)構(gòu)實際動力特性。承臺和兩側(cè)橋臺采用厚殼單元進行建模，采用纖維鉸和P-M2-M3 鉸分別模擬引橋橋墩和主橋橋墩可能出現(xiàn)的非線性行為，無約束混凝土和約束混凝土的材料特性基于Mander 模型[20]，二期鋪裝采用線質(zhì)量。采用分層土彈簧模型對主引橋樁基的樁土相互作用進行模擬，土層m值按照規(guī)范[21]建議值取值，有限元模型見圖2。板式、滑板式橡膠支座和盆式橡膠支座均按照《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(JTG/T2231-01-2020)的建議采用理想彈塑性滯回曲線模擬。橋臺與臺后填土的接觸關(guān)系采用Duncan-Chang 非線性本構(gòu)關(guān)系定義的Multilinear Elastic Link單元進行模擬[22]，非線性本構(gòu)關(guān)系式和計算結(jié)果如式(1)和圖3所示。

式中：p為土體作用于臺背的土壓力；u為臺背后土體的水平位移；Pult是作用于臺背的被動土壓力；K為初始剛度；Rf為經(jīng)驗系數(shù)，取0.8。其中，根據(jù)工程實際和《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 2231-01-2020)可以計算出初始剛度K和被動土壓力Pult。

本文采用文獻[16]中組合Kelvin 碰撞單元模擬伸縮縫間的接觸非線性，碰撞單元剛度根據(jù)王東升的建議取較短主梁軸向剛度值的0.5 倍[23]。伸縮縫處碰撞單元及其非線性力-位移關(guān)系分別如圖4和式(2)所示：式中：Δ 為伸縮縫初始間隙，根據(jù)設(shè)計文件取主引橋間為0.19 m，引橋與橋臺間為0.06 m；u1，u2分別為地震作用下伸縮縫處相鄰梁體的位移；v為梁體碰撞時的相對速度；c為碰撞單元阻尼，本文取值為5。

3 橋墩截面分析

利用CSiBridge Section Designer 程序?qū)Ω鳂蚨者M行截面分析，計算各墩柱的屈服極限、強度極限、屈服曲率和極限曲率，為地震作用下結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)提供判別基準。同時，依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》JTG/T 2231-01-2020 分別計算各橋墩墩頂允許位移，計算結(jié)果如表1所示。

表1 截面分析數(shù)據(jù)Table 1 Cross-section analysis data

4 地震動特性分析

根據(jù)文獻[24]中關(guān)于近斷層地震的定義，選擇Chi-Chi 地震中斷層距60 km 以內(nèi)的脈沖型地震波、類諧和地震波、長周期地震波和普通近場地震波共計123 條進行分析，計算卓越頻率、PGA(峰值加速度)，PGV，PGD，PGV/PGA 和強震持時等地震動參數(shù)，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：近斷層脈沖型地震波具有較大地震動參數(shù)，其PGA，PGV和PGD 平均值分別是類諧和地震波、長周期地震波和普通地震波的2.9 倍、2.1 倍和1.3 倍；2.6 倍、3.3 倍和3.6 倍；3.4 倍、4.9 倍和8.6 倍。但脈沖型地震波的強震持時僅為上述3類地震波的的0.4倍、0.5 倍和0.7 倍。從圖5(d)可以發(fā)現(xiàn)脈沖型、類諧和和長周期地震波的PGV/PGA 值更大，其均值分別為普通地震波的2.6 倍、2.6 倍和1.7 倍，說明長周期地震波與普通近場地震波在相同加速度時具有更大速度峰值和更強速度脈沖。從圖5(f)可以發(fā)現(xiàn)：3 類近斷層長周期地震波卓越頻率均低于1 Hz，且遠小于普通地震波卓越頻率。

同時計算123條地震波的加速度反應譜、速度反應譜和位移反應譜，并進行平均化處理。由于具有相同的規(guī)律，此處僅列出加速度反應譜如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：近斷層脈沖型地震波的反應譜值最大。普通近場地震波的反應譜值在0～1 s內(nèi)均大于類諧和地震波和普通長周期地震波，在周期大于1 s 后最小，說明類諧和地震波和普通長周期地震波對特征周期大于1 s 的結(jié)構(gòu)具有更大破壞作用，而普通近場地震波對于特征周期在0～1 s內(nèi)的結(jié)構(gòu)破壞性強。同時在0～2.5 s 內(nèi)，普通長周期地震波的反應譜值大于類諧和地震波，在2.5～6 s 時則相反，原因可以解釋為類諧和地震波的卓越頻率較小，特征周期較長。

5 地震波類型對結(jié)構(gòu)地震響應的影響

選擇加速度峰值和卓越頻率相近的4種類型地震波各3條進行縱橋向一致激勵，取分析結(jié)果的平均值進行比較，地震動詳細信息如表2 所示。圖7給出了各橋墩在不同類型地震波作用下的墩頂位移、墩底彎矩、墩底剪力和伸縮縫碰撞力峰值對比，為了量化說明地震波類型對結(jié)構(gòu)地震響應的影響，本節(jié)定義最大改變率i=(imax-imin)/imin，其中imax為最大響應值，imin為最小響應值。

表2 地震動特性參數(shù)Table 2 Ground motion characteristic parameters

從圖7(a)可以看出各伸縮縫碰撞力峰值在長周期地震波作用下顯著增大，普通近場地震波作用下各伸縮縫均未發(fā)生碰撞，脈沖型地震作用下A-B縫碰撞力峰值相對長周期地震波和類諧和地震波最大改變率分別為99%和124%。圖7(b)可以看出長周期地震波作用下各橋墩頂位移顯著增大，脈沖型地震波、長周期地震波和類諧和地震波對各橋墩墩頂位移的改變率均大于450%，且對剛構(gòu)墩頂位移影響最大，最大改變率分別為4 607%，3 869%和12 416%。長周期地震波顯著增大了各橋墩墩底彎矩和剪力，脈沖型地震波、長周期地震波和類諧和地震波對橋墩墩底彎矩最大改變率分別為1 017%，865%和2 912%，對橋墩墩底剪力最大改變率分別為607%，543%和1 263%。同時不難發(fā)現(xiàn)：普通近場地震波作用下各橋墩均未發(fā)生屈服；長周期地震波和類諧和地震波作用下僅3號墩底發(fā)生屈服破壞；而脈沖型地震波作用下，1號，3 號，4 號和6 號橋墩底彎矩均大于等效屈服彎矩。圖7(d)為剛構(gòu)墩底纖維鉸的彎曲-曲率滯回曲線，剛構(gòu)墩墩底纖維鉸在3類長周期地震波作用下已明顯屈服，而在近場普通地震波作用下仍處于彈性狀態(tài)，脈沖型地震波作用下纖維鉸的彈塑性行為最明顯。由圖7(e)和7(f)可知：脈沖型地震動和長周期地震動作用下橋臺位移分別為0.43 m和0.27 m，臺后填土將會發(fā)生顯著塑形變形；橋臺樁基截面最大彎矩分別為5 900 kN·m和2 300 kN·m，在脈沖型地震波作用下會發(fā)生屈服破壞。

因此，不同地震波類型對結(jié)構(gòu)地震響應的影響可以總結(jié)為：近斷層脈沖型>近斷層普通長周期>近斷層類諧和地震波>普通近場地震波。在對橋梁進行抗震設(shè)計驗算時必須根據(jù)橋址處實際情況進行地震波類型的選擇。

6 脈沖周期對結(jié)構(gòu)地震響應的影響

為分析脈沖型地震波脈沖周期對結(jié)構(gòu)體系地震響應的影響，采用小波分析對脈沖周期大小進行識別，如圖8 所示。選擇Chi-Chi 地震中不同脈沖周期的地震波延順橋向進行一致激勵。同時，為避免地震動強度的影響，將各地震波峰值加速度統(tǒng)一調(diào)至0.4g，所選地震動記錄詳細信息如表3所示。

表3 地震動特性參數(shù)Table 3 Ground motion characteristic parameters

圖9(a)表明各伸縮縫碰撞力峰值隨地震波脈沖周期增大而增大，各伸縮縫碰撞力峰值最大改變率分別為351%，850%，417%和659%。圖9(b)中各橋墩墩頂位移也隨著脈沖周期增大呈逐漸增大趨勢，1 號至8 號橋墩墩頂位移最大改變率分別為1 024%，968%，1 114%，1 649%，869%，288%，245%和179%。同時，脈沖周期增大也使得各橋墩墩底彎矩和剪力增大，1 號至8 號橋墩墩底剪力最大改變率分別為68%，91%，213%，262%，78%，216%，89%和76%；墩底彎矩最大改變率分別為152%，136%，247%，353%，121%，267%，86%和88%。其中3 號墩底在脈沖周期大于等于2.44 s后屈服，4 號剛構(gòu)墩在脈沖周期大于等于8.69 s 后屈服，其余橋墩墩底彎矩隨著脈沖周期增大而增大，但并未超過等效屈服彎矩。圖9(e)和9(f)為左橋臺位移時程曲線及其橋臺樁基單樁彎矩包絡(luò)圖，脈沖周期增大使得橋臺位移和橋臺樁基截面彎矩也增大，在RSN1530 地震波(脈沖周期為8.69 s)作用下左橋臺位移和橋臺樁基截面彎矩分別為0.35 m和2 400 kN·m，將會使臺后填土和橋臺樁基發(fā)生較大塑形變形和屈服破壞，影響結(jié)構(gòu)安全。

為了清晰表達脈沖周期的影響，選取RSN3475(1.02 s)，RSN1182(3.2 s)，RSN1503(5.74 s)和RSN1530(8.69 s)進行分析。圖9(g)和9(h)為4 號剛構(gòu)墩底纖維鉸的彎矩-曲率滯回曲線和單根纖維的應力-應變曲線，4 號墩底纖維鉸在RSN1182 地震波(脈沖周期為3.2 s)作用下已發(fā)生屈服破壞，單根纖維已發(fā)生塑形變形。隨著地震波脈沖周期增大，纖維鉸的塑性行為將更加明顯，滯回曲線更加飽滿并耗散更多能量。圖9(i)為橋臺A-B 縫處碰撞力時程曲線，可以明顯看到脈沖周期越大，碰撞力峰值和碰撞次數(shù)都將會增大。

7 結(jié)論

1) 近斷層長周期地震波參數(shù)(PGA，PGV，PGD)和反應譜值顯著大于普通近場地震波，其中近斷層脈沖型最大，類諧和地震波強震持時更長。因此在分析結(jié)構(gòu)近場地震動響應時需考慮各類長周期地震波的影響。

2) 長周期地震波因其低頻脈沖特性顯著增大了橋墩的內(nèi)力和變形以及伸縮縫處碰撞效應。其中近斷層脈沖型地震波作用下，碰撞力以及各橋墩墩頂位移、墩底彎矩和剪力最大，主橋墩、過渡墩和臺后填土會發(fā)生明顯塑形變形，橋臺樁基會發(fā)生屈服破壞。各類型地震波對結(jié)構(gòu)地震響應影響的大小順序依次為：近斷層脈沖型>近斷層普通長周期>近斷層類諧和>近斷層普通地震波。

3) 近斷層脈沖型地震波脈沖周期越大，地震波具有的能量也將更大，導致結(jié)構(gòu)地震響應也越大，僅3 號過渡墩和4 號剛構(gòu)墩在脈沖周期分別大于2.44 s 和8.69 s 后發(fā)生屈服，其余橋墩均受力安全。但脈沖周期大于8.69 s 后，左右橋臺樁基和臺后填土將會分別發(fā)生屈服和顯著塑性變形。建議在對實際工程結(jié)構(gòu)進行地震響應分析時充分考慮長周期脈沖地震波及其脈沖周期的影響。