近断层地震脉冲效应对大跨度桥梁地震响应的影响

段昕智， 徐 艳， 李建中

(同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092)

随着近年来公路交通网络的建设和规划发展，越来越多的大跨度桥梁在滇西北和藏东南以及川西等高烈度地震区域建成以及正在修建，这些桥梁很可能会建于活性断层附近或不可避免的跨越断层。众所周知的5.12汶川大地震，造成了靠近发震断层附近地区工程结构的严重破坏，导致了巨大的人员伤亡和财产损失，特别是桥梁工程的严重损坏，使得救灾物资和救援人员难以抵达，导致灾害更为严重。

事实上，从20世纪90年代以来，美国、日本、土耳其以及中国台湾相继发生的近断层地震(Loma Prieta、Northridge、Kobe、Lzmit and ChiChi)充分展示了此类地震异于远场地震的显著脉冲特点及其对土木工程结构产生的灾难性破坏，引起了国际地震工程界和土木工程界对该类地震动本身及其作用下结构的抗震性能的广泛而深入的研究［1-3］。普遍的研究表明:近断层地震最为突出的两个特点是它的前导方向性(forward rupture directivity)效应和滑冲效应(fling step)［4］。前一效应表现为加速度时程中明显的脉冲，后一效应表现为速度时程中的速度脉冲以及由此产生的大位移。Makris等人的研究［5］进一步表明，即使由滑冲效应产生的速度脉冲引起了很大的地面位移，但导致大部分土木工程结构(T＜4 s)破坏的是前导方向性效应产生的加速度脉冲，而速度脉冲只有对一些长周期结构(T＞4 s)才值得关注。

从已发表的文献来看，目前大部分工作集中在对周期较短的建筑结构在近断层加速度脉冲作用下的研究，而针对桥梁结构的研究相对较少且研究对象的周期较短［6］，通常不超过4 s，对于长周期桥梁结构在近断层脉冲作用下的研究相对缺乏，且滑冲效应对工程结构产生的影响远没有前导方向性效应研究的广泛和深入。

因此，作为近断层地震作用下大跨度桥梁抗震性能的系列研究之一，首先选取具有典型滑冲和前导方向性效应的近断层地震记录，针对大跨度桥梁的三种代表性桥型:悬索桥、斜拉桥和拱桥进行了地震响应比较分析，探讨近断层地震的不同脉冲效应对大跨度桥梁结构产生的影响。

1 输入地震动的选取

输入地震动的选取主要考虑近断层地震动的显著特点，并各具代表性:(1)1940 Elcentro NS记录，它是使用最为广泛的地震波，并且其加速度和速度时程中均不含有任何脉冲，以此作为研究近断层地震两种脉冲效应的基础;(2)Rinaldi记录，它的显著特点是具有前导方向性效应产生的加速度脉冲;(3)Tcu076记录，它的显著特点是具有滑冲效应产生的速度脉冲及大位移。

上述ELcentro和Rinaldi记录均来自太平洋地震研究中心强震数据库PEER Strong Motion Database(http://peer.berkeley.edu/smcat/index.html)，但Tcu076记录来自台湾中央气象局CWB官方网站(http://www.cwb.gov.tw)。这是因为PEER在加速度数据处理过程中采用高通滤波，滤掉了引起地面大位移的低频分量［7］，尽管这样的处理方法得到的正负总位移量和从0开始的静力大位移是相当的，但对于长周期结构也许并不合适。因此，采用CWB获得加速度时程记录，并通过积分和二次积分获得速度和具有明显滑冲效应的位移时程，表1为以上各记录的相关信息。

表1 所用地震波信息

因Elcentro NS记录的加速度峰值在0.3g左右，因此以上所有记录均按加速度峰值调整到0.3g，图1为相应的5%阻尼比的加速度和位移反应谱。考虑到大跨度桥梁的周期很长，因此反应谱曲线包含了直至21 s的长周期成分。

图1 所选地震波的反应谱

2 桥梁模型的建立

三种典型的大跨度桥梁模型分别如图2所示。模型1为主跨1 650 m的地锚式悬索桥;模型2为主跨1 088 m的飘浮体系斜拉桥;模型3为主跨550 m的钢系杆拱桥。考虑到研究目的在于探讨近断层地震脉冲效应对不同周期桥梁结构的影响而并非对实桥的抗震性能研究，因此在建模过程中，上部结构均采用梁、杆单元来模拟;支座、伸缩缝等连接处均采用主从关系来模拟，主梁以及塔梁或拱梁交接处纵向约束均放松;下部结构在墩底处固结。这样处理有助于简化模型而将重点放在脉冲效应引起的动力响应的差异上。考虑到大跨度桥梁的恒载比例较大，且几何非线性的影响不能忽略，所有模型的动力计算均在考虑恒载几何非线性的刚度基础上进行。表2列出了这三个桥梁模型的基本动力特性。

表2 三个桥梁模型的基本动力特性

3 桥梁模型的地震响应分析

对三个桥梁模型分别进行三个正交方向的地震激励，即纵桥向、横桥向和竖向。根据各个桥型的不同特点，分别选取如图2中1、2、3、4、5、6所示位置:悬索桥和斜拉桥的塔顶、塔梁连接处，拱桥的拱顶、拱脚、拱肋横梁交接处，各墩墩顶等部位进行地震响应的观察。表3～表8列出了这些部位在所选近断层地震输入下的地震响应。

3.1 模型1-悬索桥

如表3所示，以加速度脉冲为主导的Rinaldi输入引起悬索桥各关键部位的位移响应与Elcentro波的结果比较接近，个别部位甚至还小，但是以滑冲效应为主导的Tcu076输入却激起了塔梁连接处3～4倍的位移响应;与此同时，纵向输入下塔顶的位移却相差不大，而且位移量也相比较小，这说明塔本身的振动不是引起如此大纵向相对位移的主要原因。另外，由表2可见，尽管悬索桥的一阶周期最长，达到21 s，但模态是横桥向的，而第二阶纵桥向模态周期为12 s，但只有9.4%的质量参与，可以预见的是随着纵桥向振动质量参与的增加，滑冲效应的影响会更明显，这在模型2中可以得到印证。

当地震波横向输入时，相比其它地震输入，Tcu076引起的塔顶的位移在3～4倍，这是因为塔的横桥向主要振型发生在3.15 s左右，而在这个附近，Tcu076相比Elcentro和Rinaldi两条输入具有更大的加速度和位移反应谱值。这也说明由滑冲主导的地震波不但对周期超过4 s的长周期结构有很大的影响，对周期在3～4 s的结构也具有一定的影响。

图2 桥梁有限元模型

对于竖向输入，由于大部分竖向震动模态都是高阶模态，因此通常来说，它们对结构地震响应的影响不大，但如表3可见，竖向输入引起了塔顶较大的纵向位移，同时由表4可见，竖向输入会在塔柱产生巨大的轴向力，而且接近同样地震波纵向输入产生的10倍，由此可知桥塔结构对竖向地震动比较敏感，而近断层地震动一般较普通地震动具有较大的竖向地震动分量，这也是大跨度索塔结构在近断层地震作用下需考虑的一个问题。

表3 模型1关键部位的位移响应cm

由表4还可见，近断层地震的滑冲效应对于悬索桥的主塔内力的影响远没有位移影响大，但相比较而言，依然是Tcu076引起的响应较大。

表4 模型1塔底地震内力

3.2 模型2-斜拉桥

由表5可见，Tcu076引起的纵向位移比其他两个输入明显大，约为Elcento波输入的5倍;另一方面，塔梁连接处的纵向位移与塔顶的纵向位移相差不大，这表明在斜拉桥模型中，塔的振动是引起塔梁连接处产生大位移的主要原因，这主要是因为斜拉桥第一阶模态发生在15.3 s，且包含了塔和梁各自的纵桥向振动以及一半以上全桥质量参与的振动模态;相对而言，各条地震波引起斜拉桥模型的地震内力响应差别较小(如表6所示)，但在纵向输入时，无论是加速度脉冲主导的Rinaldi输入还是以滑冲为主导的Tcu076输入，均在塔底产生了2～3倍于Elcento输入的轴力和弯矩。

表5 模型2关键部位的位移响应cm

表6 模型2塔底地震内力

当地震波横向输入时，Rinaldi对塔的横桥向位移最不利，这与塔本身的横桥向振动模态有关，因为该模型的塔的振型在2.15 s左右，而从图1可见，在这个周期附近，Rinaldi输入相比其它几条记录具有较大的位移反应谱值。

对于竖向输入，与模型1的结果类似，除了在塔顶引起较大的纵向位移外，不同的记录对桥梁的纵向位移并无太大的影响，但在塔底引起了很大的轴力。事实上，由于该模型塔的竖向震动模态发生在很高阶，周期约为0.25 s，因此，不同的近断层记录产生的结果都很接近。

3.3 模型3-拱桥

由表7可见，对于拱桥结构，滑冲效应对位移的影响似乎并不统一:如表7中2、5处的纵向位移，甚至小于Elcentro输入的结果，相比而言，Rinalidi输入的影响更大;但对于过渡孔边墩墩顶处的纵向位移，以滑冲为主导的Tcu076输入产生的依然最大，特别是图2(c)中标注的3和4所示的桥面伸缩缝处，纵向位移是Elcentro波产生的7倍，在数值上接近90 cm。实际上，这种现象充分说明了滑冲效应与结构周期之间的关系:该模型中，主桥纵向振动为第三阶模态，周期为2.9 s，但过渡孔边墩的纵向振动为一、二阶模态，周期分别为4.41 s和4.27 s，同时该模型在这桥面两伸缩缝处的纵向平动约束是释放的，这意味着，在地震的作用下，两伸缩缝之间的桥面开始纵向振动，这一模态将成为引起纵向位移的主导模态，并且周期很长，因此加速度频谱中的低频分量将对此位移产生巨大的影响。

当地震波横向输入时，拱顶的位移相当大，但由于拱横向振动的周期在2.3 s左右，而在此周期附近，对于所选的几条地震输入其反应谱值都比较接近，因此拱顶的位移相差不大，也就是说，加速度脉冲和滑冲效应对拱桥位移响应的影响都不大。但是，另一方面，如表8中所示，对于拱脚的内力而言，Rinaldi的影响相对较大，竖向输入时的轴力以及纵向和横向输入时的弯矩都比Tcu076大1.5倍。这也说明，对于中短周期结构，滑冲效应对结构的地震响应并无太大影响，但加速度脉冲即前导方向性效应对结构内力具有更大的影响。

表7 模型3关键部位的位移响应cm

表8 模型3拱脚地震内力

3.4 模型桥的地震响应比较

为比较地震脉冲特点对三座桥梁模型地震响应的影响程度，以Elcentro输入的结果为基准，绘出不同输入下三个桥梁模型关键部位的位移和内力地震响应比值，如图3～图6所示。

图3 纵向相对位移

图4 塔顶(拱顶)横向位移

图5 塔底(拱脚)轴力比较图

由图5可见:横向输入时，Tcu076对于模型1的地震响应影响最大，无论是塔顶位移还是塔底的内力都比Elcenro输入大，尤其是对位移的影响更大;在纵向输入时，Tcu076对模型2的总体响应影响最大(对模型3的部分位移影响很大与拱梁结合处的模拟和模型考虑了边墩有关，并不是全桥的纵向振动引起的)，Rinaldi输入对其位移响应虽无太大影响，却对其内力响应具有与Tcu076输入同等程度的影响，而对模型3的内力响应影响甚至比Tcu076输入还大。

图6 塔底(拱脚)弯矩比较图

从分析结果来看，以滑冲效应为主导的Tcu076输入对于悬索桥和斜拉桥模型的地震响应影响最大，其中又以模型2的纵向位移响应和模型1的横向位移响应最为严重，但同时以前导方向性效应为主的Rinaldi输入对结构内力响应的影响也不容忽视;而对于拱桥模型，滑冲效应可能对其中部分结构(如边墩和伸缩缝之间的桥面系)的位移响应具有较大的影响，但此时以前导方向性效应为主的Rinaldi输入对结构内力的影响更为显著;另外，还必须注意到，与Elcento输入相比，无论是Tcu076还是Rinaldi输入下，虽然总体上对各桥梁模型所选取部位的动力响应存在明显的放大效应，但并不是全部。由于大跨度桥梁类型各异且结构复杂，还需针对具体桥型进行进一步的分析。

因此，通过分析，总体来说，近断层地震的两种脉冲效应，都将对大跨度桥梁产生较大的影响，尤其是位移响应，其中的滑冲效应加剧了长周期大跨度桥梁本身存在的大位移问题。很明显，当靠近或跨越断层修建大跨度桥梁已不可避免时，采用合理的限位和减隔震措施来解决这一问题将是提高此类桥梁近断层抗震性能的有效途径。

4 结论

通过选取具有典型脉冲效应的近断层地震记录，检查了三座不同类型的大跨度桥梁的地震响应并探讨了两种脉冲效应的影响，得到了以下结论:

(1)滑冲效应在长周期的大跨度桥梁关键部位产生数倍于一般地震的位移和内力响应，但相比较而言，对位移的影响比对内力的影响大;

(2)前导方向性效应对大跨度桥梁的位移响应并无太大影响，但对其内力响应却具有与滑冲效应同等程度的影响;

(3)对于拱桥结构，滑冲效应可能对其中部分结构的位移响应具有较大的影响，但此时前导方向性效应对结构内力的影响更为显著;

(4)滑冲效应加剧了长周期大跨度桥梁本身存在的大位移问题，必须采用合理的限位和减隔震措施来提高此类桥梁的近断层抗震性能。

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