地震動持時對山區(qū)非規(guī)則梁橋地震響應的影響分析

摘要：文章以一座山區(qū)非等高連續(xù)梁橋為工程背景，基于SAP 2000軟件建立抗震計算有限元模型，按能量截取100%持時、90%持時和70%持時地震波，研究持時對非規(guī)則梁橋地震響應的影響。結(jié)果表明：持時越短的地震，結(jié)構(gòu)動力響應越低；結(jié)構(gòu)響應在90%持時地震與100%持時地震下最大差異僅為6.09%，而響應差異在70%持時與100%持時之間達36.08%；90%持時和70%持時地震波計算結(jié)果的離散性優(yōu)于100%持時計算結(jié)果。研究得出，此類山區(qū)非規(guī)則梁橋可以采用90%能量持時的地震波進行抗震設計。

關鍵詞：非規(guī)則梁橋；持時；時程分析；地震響應

中文分類號：U442.5+5A010014

引言

集集地震和汶川地震震害表明，部分橋梁在主震發(fā)生時出現(xiàn)損傷但并沒有發(fā)生倒塌，卻在余震時發(fā)生嚴重倒塌，究其原因，是地震動持續(xù)時間較長引起的。持時作為地面運動的三要素之一，其對結(jié)構(gòu)地震響應的影響早已引起國內(nèi)外學者的關注。

黃雨等［1］計算了不同持續(xù)時間的地震對大壩位移的影響，計算結(jié)果表明長持續(xù)時間的地震波將會引起更大的堤壩液化變形。Wang等［2］也得出重力大壩在較長激勵時間地震波下的地震響應偏大的結(jié)論。潘志宏等［3］對比90%持時和100%持時對一座4層混凝土框架結(jié)構(gòu)動力響應的影響，結(jié)果表明相對于100%持時原始地震，90%持時能獲得更加穩(wěn)定的分析結(jié)果，更能全面地揭示結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應規(guī)律。此外，持時尤其顯著地影響表征能量的參數(shù)，如結(jié)構(gòu)的滯回耗能、疲勞損傷等［4］。Hancock等［5］截取30種不同持續(xù)時間的地震動，輸入到一個8層混凝土框架結(jié)構(gòu)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同持時下框架的層間位移角相近，但長持時下的框架滯回耗能較短持時下的大。地震持時不僅影響結(jié)構(gòu)的地震響應，還會顯著改變結(jié)構(gòu)的能力狀態(tài)即損傷指標，進而影響對結(jié)構(gòu)失效概率的判斷［6］。韓建平等［7］分析了持時對框架結(jié)構(gòu)倒塌失效概率的影響，認為長持時地震動下的結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的概率增加。郎需軍等［8］基于有限元分析獲得了地震激勵持續(xù)時間變長時，輸電塔構(gòu)件損傷失效概率增大的結(jié)論。

雖然長持時地震導致結(jié)構(gòu)地震響應和損傷程度增加，但當前的抗震設計規(guī)范以及抗震性能評估并未專門考慮地震持時對結(jié)構(gòu)設計和評估的影響。近年來山區(qū)高速公路快速發(fā)展，非等高連續(xù)梁橋越來越受到設計師的青睞。有關地震動強度和頻譜對連續(xù)梁橋動力響應的影響研究已有大量相關報道，但是鮮有地震動持時的研究。因此，本文選取實際橋梁為工程背景，截取兩種不同持時的地震記錄，通過非線性時程分析，獲得不同持時下非等高連續(xù)梁橋的地震響應規(guī)律以對比原始地震記錄總持時之間的差異，以期為該類山區(qū)非規(guī)則梁橋的抗震設計提供一定的理論基礎。

1算例橋梁

1.1橋梁概述

為跨越復雜的山區(qū)地形，非等高橋梁應運而生。本文選擇一座山區(qū)四跨非等高連續(xù)梁橋為典型工程背景，橋梁總跨徑為160 m，上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土預制T梁截面形式，橋面寬12.75 m；下部結(jié)構(gòu)采用直徑為2 m的C40混凝土框架墩，橋墩沿橫橋向設置系梁；橋墩在一聯(lián)中高度差異明顯，從中墩8.2 m變化到邊墩的32.28 m。此外，全橋采用球形支座，僅在中墩布置縱橋向固定支座，而在橫橋向每個橋墩均布置有橫向固定支座。如圖1所示。

1.2有限元模型

基于SAP2000計算平臺，建立全橋動力有限元模型。其中，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下通常要求保持彈性，因此采用彈性梁單元模擬預制T梁。橋墩作為主要承重構(gòu)件，在地震作用下一般會出現(xiàn)損傷，產(chǎn)生塑性變形，因此采用SAP2000軟件中的集中塑性鉸模型模擬橋墩的非線性行為。支座作為傳力構(gòu)件，在地震作用下也較為薄弱，針對算例橋梁中的球形支座，采用Plastic Wen單元，并賦予雙線性本構(gòu)，以模擬支座的力學行為。同時在墩底附加了6×6彈簧以考慮樁與土的相互作用，彈簧剛度采用《公路橋梁抗震設計細則》［9］中的“m”法計算得到。綜上，采用SAP2000軟件建立的全橋動力計算有限元模型如圖2所示。

采用Ritz向量法進行全橋動力特性分析，取其前5階振型和周期列在表1中。

1.3地震動輸入

由于地震波具有很強的隨機性，不同地震波往往導致計算結(jié)果迥異。因此，為使得分析結(jié)果具有代表性，即獲得此類非規(guī)則梁橋在Ⅱ類場地下地震響應隨地震動持時的影響規(guī)律，本文選取了7條Ⅱ類場地的實際地震波進行非線性時程計算，所選地震波的詳細信息見表2。通常，所選地震動的持時不宜過短，一般要求總持時不小于結(jié)構(gòu)自振周期的5～10倍。由表2可知，所選地震波總持時最短為25.63 s，而結(jié)構(gòu)一階自振周期為2.463 s，可見所選地震波持時符合要求。

針對地震動持時的定義，已有文獻總結(jié)了諸如重要持時、一致持時、結(jié)構(gòu)持時以及括號持時。其中，定義在阿里亞斯強度特定范圍內(nèi)的（峰值的5%～75%或5%～95%）持續(xù)時間，即重要持時，被廣泛應用于工程研究和理論分析中［10-11］。阿里亞斯強度（AI）是一種基于能量的有效持續(xù)時間度量，具體定義如下：

AI=π2g[SX）][DD（]T0[DD）]a2（t）dt[JZ）][JY]（1）

式中，[WB]a（t）[WB]——地震動記錄加速度時程函數(shù)；

——原始地震動總持時，即AI在t時間內(nèi)的能量與地震總能量的比值為AI（t）。

當t1時刻能量比值占總能量的5%時，記為AI（t1）=5%，當t2時刻能量比值占總能量的95%時，記為AI（t2）=95%，則t1和t2之間的持續(xù)時間稱為90%持時，記為D5-95；同理可定義70%持時，記為D5-75。如圖3所示。

因此，根據(jù)重要持時的定義，對原始7條地震動進行截取，獲得了90%持時和70%持時這兩種重要持時的地震記錄，其中HUMBOLT_FRN315地震波的不同持時截取段繪制于圖4。其中，PGA（Peak Ground Acceleration）代表峰值地面加速度。由表2可知，截取90%持時的地震動，其持時占比最小為50.01%，最大為85.91%，由此說明90%持時截取段最大可縮短約50%總持時時間。而截取70%持時的地震動，其持時占比最小為20.99%，最大為55.38%，由此說明70%持時截取段最大能縮減近80%的總持時時間。由此可見，上述兩種重要持時均可實現(xiàn)有效降低計算用的地震動持續(xù)時間。

根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》，直線橋梁可以僅考慮順橋向和橫橋向的地震作用。因此，這里將100%持時、90%持時和70%持時的地震動沿順橋向和橫橋向分別輸入，進行非線性時程分析，分析過程中，全橋采用固定阻尼比0.05。最終分析結(jié)果取7條地震波非線性時程計算的平均值。

2結(jié)果討論

2.1縱橋向計算結(jié)果

將100%持時、90%持時和70%持時的地震動分別沿順橋向輸入橋梁動力計算有限元模型中，獲得三種持時下橋墩墩底彎矩、支座位移以及墩頂漂移比的縱橋向地震響應均值，如圖5和表3所示。

由圖5（a）可知，三種持時下，3#墩墩底彎矩最大，這是因為僅3#墩在縱橋向布置固定支座，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的慣性力大部分由固定支座傳遞到橋墩，因此3#墩墩底彎矩最大。其余橋墩墩底彎矩分布規(guī)律大致隨墩高增加而降低。值得注意的是，90%能量持時地震動輸入下獲得的墩底縱橋向彎矩響應略低于100%持時下的響應，彎矩最大差異為2.81%，發(fā)生在4#墩墩底。而70%能量持時下的墩底彎矩響應明顯低于100%持時，相對誤差范圍為13.13%～23.99%。

由圖5（b）可知，布置了固定支座的3#墩位移最小，其他位置支座位移隨墩高增加而降低。相對于100%持時，90%持時下的支座位移略小，最大差異為5.22%，而70%持時下的支座位移明顯較低，特別是在2#墩上的滑動支座，其位移差異達到36.08%。

墩頂漂移比定義為墩頂相對于墩底縱橋向的位移與墩高之間的比值，該值能反映橋墩在地震作用下的變形能力。由圖5（c）可知，墩頂縱向漂移比隨著橋墩高度的增加而降低，相似的，90%持時與100%持時下的響應接近，最大相對差異僅為1.57%，大部分偏差在1%以內(nèi)；而70%持時下墩頂漂移比明顯低于100%持時，與之相比最大降低21.64%。

將7條地震波時程計算結(jié)果與均值的離散性定義為標準差/均值，以3#橋墩為例，其縱橋向地震響應的離散性如圖5（d）所示。由圖5可知，90%持時和70%持時地震動計算的結(jié)果離散性低于100%持時，70%持時計算得到的結(jié)構(gòu)響應更加穩(wěn)定可靠。

2.2橫橋向計算結(jié)果

將100%持時、90%持時和70%持時的地震動分別沿橫橋向輸入到橋梁動力計算有限元模型中，獲得三種持時下橋墩墩底彎矩、支座位移以及墩頂漂移比橫橋向地震響應均值，如下頁圖6和表4所示。

由圖6（a）可知，三種持時下，1#墩墩底彎矩最大，這是因為在主梁一階橫彎振型中伴隨著1#橋墩橫向擺動，并且該階振型質(zhì)量參與系數(shù)在橫橋向振動中貢獻比例最大，因此在橫向地震作用下1#墩墩底彎矩最大。相對于100%能量持時，90%能量持時和70%能量持時地震動輸入下獲得的墩底橫橋向彎矩響應依次降低，但數(shù)值上較為接近，其中90%與100%持時的最大差異為4.48%，而70%持時與100%持時的最大差異為11.36%。

不同持時計算得到的支座橫橋向位移均值幾乎一致，見圖6（b）。與100%持時的計算差異略低于橋墩墩底彎矩，其中90%持時下的支座位移最大差異為4.40%，70%持時下的支座位移最大差異僅為8.84%。

從圖6（c）中墩頂橫橋向漂移比可以看出，兩種持時地震動計算得到的數(shù)值均略低于100%持時計算的結(jié)果，其中70%持時計算結(jié)果差異偏大，但最大相對誤差在10%以內(nèi)。總體來說，采用兩種重要持時地震動得到的結(jié)構(gòu)橫橋向地震響應與100%持時的差異小于縱橋向地震響應差異。

此外，比較圖6（d）離散性可知，兩種持時計算結(jié)果離散性更低，其中90%持時得到的位移類響應離散性最低，而70%持時在獲得內(nèi)力響應上更加穩(wěn)定。

3結(jié)語

本文以一座山區(qū)四跨非等高連續(xù)梁橋為工程依托，選取符合橋址場地的7條實際地震波，按照重要持時定義，分別截取90%能量持時和70%能量持時地震動，比較了兩種重要持時與100%持時對山區(qū)四跨非等高連續(xù)梁橋地震響應的影響，得到結(jié)論如下：

（1）截取90%持時的地震波最大可縮短約50%持時時間，而70%持時地震波最大能縮減近80%的持時時間。

（2）能量持時越短，地震響應越小，采用兩種重要持時地震動得到的結(jié)構(gòu)橫橋向地震響應與100%持時的差異小于縱橋向地震響應差異，但100%持時計算得到的結(jié)果離散性更高。

（3）縱、橫橋向地震動作用下，90%持時地震動計算結(jié)果與100%持時結(jié)果相比，誤差最大為6.09%；而70%持時與100%持時結(jié)果相比，降幅最大達36.08%。

（4）綜合計算結(jié)果的離散性和準確性以及計算的高效性，此類山區(qū)非等高連續(xù)梁橋的抗震設計分析可以采用90%持時的地震波。

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基金項目：安徽省高?？茖W研究重點項目“斜向旋噴樁加固重載鐵路過渡段加固機理及設計方法研究”（編號：2023AH051170）

作者簡介：劉彬（1992—），碩士，工程師，主要從事巖土工程勘察設計及研究工作。