方向脉冲及竖向效应对高铁桥梁地震响应影响

陈令坤 张楠 夏禾

摘要： 近断层地震会给桥梁带来严重损害，其方向脉冲及竖向地震动效应日益引起研究者注意。以高速铁路多跨简支梁桥为研究对象，建立高烈度区地震作用下的非线性全桥模型，计算了水平及竖向地震作用下桥梁的弹塑性响应。结果表明：近断层地震下桥墩进入弹塑性阶段，刚度的改变其自振周期随之改变。相比远断层地震而言，近断层地震以其较大的脉冲周期与进入弹塑性的桥梁相耦合，将加剧桥梁的非线性响应。考察了竖向地震动对桥梁地震性能的影响，通过轴力变化改变影响桥墩滞回性能，增加塑性区变形，但不会导致墩顶横向位移的增加。建议设计时采用近断层地震因子及合适的竖向地震动参数考虑近断层效应的影响。

关键词： 高速铁路桥梁； 竖向地震； 速度脉冲； 非线性地震反应； 近断层地震因子

中图分类号：U448.13文献标志码： A文章编号： 10044523（2016）04070410

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.018

引言

近断层地震对结构动力响应的影响日益引起研究者的注意，最近如1979 Imperial Valley （CA） 地震、1994 Northridge （CA） 地震、1995 Kobe （Japan） 地震、1999 ChiChi （Taiwan）地震、以及 1999 Kocaeli （Turkey） 地震，其地震动记录表现出明显的速度脉冲效应以及较大的竖向地震动等近断层效应。研究表明：当断层的破裂前锋朝着地震观测台站方向传播，会导致地震能量的释放并形成单向或者双向速度脉冲。

关于近断层地震的方向速度脉冲效应，Benioff，Kasahara，Haskell以及BenMenahem等首先在地震记录观测中认识方向脉冲效应。1971年San Fernando 地震、1994年 Northridge地震及1995年 Kobe地震后，近断层方向脉冲地震对结构的巨大破坏作用日渐引起研究者关注。MacRae等[1]基于理想弹塑性模型研究了近断层地震对于单自由度体系的影响。Baker & Cornell[2]论证了采用强度指标进行结构脉冲型近断层地震性能分析的可行性。Zhou & Anil[3]采用经验模态分离（EMD）方法分离并抽取速度脉冲并进行非线性计算，计算结果与实际脉冲记录吻合良好。McCallen等[4]研究了低频长周期进场地震作用下OaklandSan Francisco 海湾大桥的动力响应。

近断层地震对结构影响较大的另一个特征是其较大的竖向地震分量，即有较大竖向地震动与横向地震动比值PGA（PGA=PGAV/PGAH），这已在最近的近断层震害中所证实[5]。Kunnath等[6]以加州典型桥梁Camino Del Norte 桥为研究对象，采用OpenSees平台计算了近断层水平和竖向地震组合作用下桥梁地震响应。研究表明：竖向地震的对梁跨中及桥墩的弯矩及桥墩剪力影响较大。针对现有桥梁设计规范包括AASHTO没有精确考虑竖向地震动的情况，Legeron & Sheikh[7]给出一种适于短周期桥梁计算的简便反应谱方法。Sung等[8]以曾经经历过Northridge地震的Santa Monica桥及美国联邦公路管理局通用桥梁为研究对象，采用ZeusNL程序将数值仿真结果与试验结果相比较，重点研究了竖向地震动对桥梁地震响应的影响。Gulerce等[9]基于水平及竖向地震下的不同截面及跨度公路桥梁为研究对象，分析了其工程需求参数及地震动强度指标及竖向地震动的影响，为桥梁概率地震风险评估提供参考。Saiidi等[10]通过桥墩及两跨整桥大比例模型振动台实验，研究了竖向地震动对桥梁损伤类型及桥墩弹塑性变形的影响。

与公路桥梁相比，高速铁路桥梁墩柱有很大不同，墩柱厚重，纵横向高度比较大，纵筋率普遍较低，一般低于1%。《铁路工程抗震设计规范》等规范规定竖向地震取为横向的65%。事实上，许多近断层地震的竖向地震分量都远大于横向地震的65%，比如Northridge地震的Rinaadi波及NewhallFire Staion波的分别是横向分量的102.0%及92.9%。因此若采用横向的65%作为竖向地震动输入进行结构地震分析，会导致计算结果的较大偏差。同时，当前的抗震设计实践是基于反应谱理论的，即便采用设计分组考虑设计近震及远震，但无法考虑到方向性脉冲响应及较大的竖向地震的影响。对于低配筋大轴力的铁路桥梁，速度脉冲效应及竖向地震动的影响仍然不甚明了，基于设计角度有必要对此问题探究。

中国地处环太平洋和欧亚两大地震带的交汇处，是全球最活跃的地震区之一，境内至少有495个地震断裂带。快速组网的高铁桥梁邻近断层或跨越断层将不可避免。基于防震减灾角度，研究近断层地震效应对高铁桥梁结构影响亦是十分必要的。本文以高速铁路大量使用的多跨简支梁桥为研究对象，筛选具有速度脉冲及竖向地震效应地震动记录，建立非线性高速铁路桥梁分析模型，考虑了轨道不平顺的影响，计算了横向（FN）及竖向（V）地震作用下桥梁的非线性地震响应。通过与远断层地震的比较研究，定量地分析了近断层地震效应的影响。未来精确的地震区划图（主要地震活动带将全部被勾画出来）将会公布，本文为其必要性及高铁桥梁抗震设计规范修订提供依据。

Abstract： Longperiod pulse and vertical components in near fault earthquakes have been known to cause significant damage to bridge structures， which have increasingly been the topics of lots of researchers recently. The nonlinear global model of the multispan simply supported bridge in a high seismic region is set up， the elasticplastic seismic responses of bridge subjected to the combined effect of vertical and horizontal earthquakes are calculated. The calculation results show that， the natural period of the bridge will increase with the stiffness of bridge decreasing when the bridge pier step into the nonlinear state under the near fault earthquakes. As compared to far field earthquakes， the near fault earthquakes with the longer pulse period will interaction with the elasticplastic bridge， which will in general cause more damaged seismic response. Additionally， emphasis is placed on the importance of considering the vertical earthquakes on the seismic assessment of the bridge. The greater vertical earthquake will influence the hysteric performance of the bridge piers by the axial force fluctuations， Extend plastic hinge formations； While it cannot correspondingly result in the increase of the lateral displacement of the piers. The near fault earthquake factor and the proper vertical ground motion parameter can be proposed to consider the influence of near fault earthquakes.

Key words： highspeed railway bridge； vertical earthquakes； velocity pulse； nonlinear seismic response； near fault earthquake factor