高速铁路连续梁桥近断层地震易损性分析

陈伟， 王冠， 杜彦良， 曹昱洲， 徐瑞祥， 郭进

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043； 2. 石家庄铁道大学 河北省大型结构健康诊断与控制研究所，河北 石家庄 050043；3. 河北省减隔震技术与装置工程技术研究中心，河北 衡水 053000)

我国地震断裂带分布广泛，高速铁路桥梁建设会不可避免地横跨断层或处于断层附近[1]，如津秦高速客运专线地处华北平原地震带；沪昆高铁客运专线云南路段位于欧亚地震区带的东段侧缘，属于强震多发地带。我国台湾地区于1999年集集地震后修订了相关的桥梁抗震设计规范，考虑了近断层地震的速度脉冲效应。而国内的相关抗震设计规范尚缺少对近断层地震动的特殊考虑[2]。因此，研究高速铁路桥梁在近断层地震作用下的安全性具有重要意义。

减隔震技术为桥梁抗震设计提供了新的途径，但是不同学者对其抵御近断层地震的有效性持不同观点：廖文义等[3]指出减隔震支座在近断层地震作用下会产生过度变形，从而可能对桥梁结构和支座装置造成更严重的损坏；Michael等[4]研究了在近断层地震动作用下，斜拉桥隔震技术的有效性；王统宁等[5]研究表明，桥梁在近断层地震作用下，隔震支座的减震效果降低，近断层地区桥梁不宜采用铅销橡胶支座隔震；雷涛等[6]分析了近断层附近的桥梁震害，表明合理的支座设计，能够有效地防止落梁发生。

基于以上研究，本文将运用理论易损性分析方法，分析我国高速铁路普通连续梁桥与减隔震连续梁桥在不同特征的近断层地震和远场地震下的损伤概率，以说明近断层地震的危害性，并指出减隔震措施对高速铁路桥梁的地震反应控制效果。

1 模型介绍与地震波的选择

1.1 模型介绍

本文采用的模型是某双线高速铁路客运专线上的一座三跨连续梁桥，连续梁桥的跨径布置为60+100+60 m，总体布置见图1。其中16#、17#墩高为15 m，15#、18#墩为过渡墩。为考虑相邻简支梁桥的影响，计算模型两侧各引入一跨简支梁。地震波输入方向为顺桥向，不考虑竖向地震动的影响。

图1 某高速铁路三跨60+100+60 m连续梁桥布置Fig.1 A high-speed railway of three-span 60+100+60 m continuous beam bridge layout

模型基于SAP2000有限元软件建立。桥梁的上部结构用弹性框架单元模拟，不考虑材料的非线性。桥墩用框架单元模拟，没有考虑材料的随机性，对于桥墩构件的塑性性能用塑性铰模拟。桩土相互作用的土弹簧参数通过《公路桥涵地基与基础设计规范》中的“m”法确定，计算时采用等效的“六弹簧模型”，以节省计算时间。

1.2 地震记录的选取

近几十年来，近断层地震时有发生，给人类造成了巨大的灾难和损失[7]。相比于远场地震，近断层地震具有诸多特点[8]，主要包括：近断层地震动的方向性效应、滑冲效应、速度脉冲效应、上盘效应、竖向加速度效应等，其中突出的特点是速度脉冲效应[9-10]。这种脉冲是长周期、短持时、有明显峰值的高能量脉冲。常见的速度脉冲有2种，即破裂向前方向性效应(rupture forward directivity)速度脉冲、滑冲效应(fling step)速度脉冲。本文将重点分析这2种脉冲作用下结构的响应。

通常震源机制有多种，如倾滑断层、走滑断层，浅源地震和深源地震等，为排除不同震源机制的影响，本文选取台湾集集地震记录作为地震输入。且Shome[11]研究表明：采用增量动力分析(incremental dynamic analysis，IDA)时，选取10～20条地震记录即可满足精度要求。依据近断层地震的特点，选取滑冲效应近断层地震记录10条；前方向效应近断层地震记录10条；以及远场地震记录10条，见表1，断层距(测站与断层表面的距离)超过20 km为远场地震。

表1 台湾集集地震记录Table 1 Recordings of the Chi-Chi, Taiwan earthquake

2 地震易损性分析方法

地震易损性可以采用连续的地震易损性曲线描述，其中，理论易损性曲线又因其工作量小、计算结果也较准确而被广泛应用[12]。本文采用基于非线性时程分析方法[13]的增量动力分析(incremental dynamic analysis，IDA)方法[14]进行理论易损性分析。

2.1 易损性分析流程

2.1.1 地震强度指标和损伤量化指标

基于Mackie[15]、Padgett[16]的研究，本文以地面峰值加速度PGA作为强度指标。选取墩顶位移作为算例桥梁的损伤量化指标，并依据Hwang[17]等的研究，将算例桥梁在地震下的损伤状态分为无损伤、轻微损伤、中等损伤、严重损伤、完全破坏(倒塌状态)。算例连续梁仅在16#墩顺桥向布置固定支座，其余均为纵向滑动支座。因此，16#墩即为顺桥向最易破坏构件，其墩底截面及弯矩-曲率曲线如图2所示。对16#墩进行Pushover分析，最终得到墩底截面弯矩-曲率与墩顶位移的关系，具体描述见表2。

图2 16#墩底截面及弯矩-曲率曲线Fig.2 16# pier bottom section and moment-curvature curve

表2 损伤状态及损伤量化指标的描述Table 2 Description of damage status and damage quantitative indicators

注：D为构件墩顶位移，Dy=0.1 m为构件塑性铰区等效屈服曲率对应的墩顶位移，D0.4 u=0.46 m为0.4倍的构件塑性铰区极限曲率对应的墩顶位移，D0.6 u=0.66 m为0.6倍的构件塑性铰区极限曲率对应的墩顶位移，Du=1.0 m为构件塑性铰区极限曲率对应的墩顶位移。

2.1.2 易损性分析方法

易损性曲线可以用条件概率表示为：

(1)

式中:Pf为损伤概率；Dd为地震需求响应；Dc为桥梁结构能力；IM为地震强度指标。

结构地震需求(Dd)与地震强度指标(IM)之间关系：

(2)

式中：a、b为回归系数。

(3)

3 高速铁路普通连续梁桥与减隔震连续梁桥抗震对比分析

3.1 高速铁路普通连续梁桥抗震分析

对处于不同地震下的普通连续梁桥进行基于IDA方法的地震易损性分析和抗震倒塌概率分析。

3.1.1 易损性分析

由图3可以看出：1)峰值加速度PGA相同时，相比于远场地震，近断层地震下结构的损伤概率更大，即近断层地震更具破坏性。以图3(b)为例，PGA等于1.0g时，近断层地震作用下结构的损伤概率等同于远场地震1.4g时的作用效果，因此在进行抗震设计时应将近断层地震的特点纳入考虑；2)地震强度相同时，与前方向效应相比，滑冲效应损伤概率往往更大，说明滑冲效应危害性更强。

图3 不同地震下高速铁路普通连续梁桥易损性曲线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中列举了我国抗震设计规范中常用的3个抗震设防水准，多遇地震、频遇地震和罕遇地震。但由于地震的复杂性、突发性和未知性，也会偶尔出现一些超过基准设防烈度的地震。如唐山大地震，其设防烈度为6度，实际最大烈度却达到了11度，峰值加速度约为设计加速度的20倍[18]；设防烈度为7度的玉树地震，实际最大烈度为11度[19]；2015年的尼泊尔地震，最高烈度为9度。

鉴于以上分析，本文在规范基础上增加2个设防水准，极大地震I和极大地震II。其中极大地震I参考了文献[20]的规定，极大地震II参考了上述列举的近年来经常发生的超烈度地震实际地震加速度峰值，设定为1 000 cm·s-2，如表3所示。

表3时程分析所用地震加速度时程的最大值

Table3Maximum time history of seismic acceleration used in time history analysis

cm·s-2

根据表3中的值，计算算例桥梁在设防烈度为8.5度时不同损伤状态下的损伤概率，见表4。

表4设防烈度为8.5时不同地震下连续梁桥的中等损伤、严重损伤、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的计算结果，极大地震作用下，桥梁会出现一定程度的损伤。因此，为预防超烈度地震尤其是具有近断层效应的超烈度地震，应考虑近断层地震的特点；对于特别重大的工程，甚至应适当考虑提高相应的抗震设防水准。

3.2 高速铁路减隔震连续梁桥抗震分析

3.2.1 新型限位型减隔震支座

相关研究表明防落梁装置和减隔震技术应用广泛，但传统抗震策略一般都是将减隔震技术与防落梁装置分开来谈，使得装置的设计较为复杂，经济适用性差。针对这一问题,郭进等[21-22]从一些常规的减隔震装置中获得启发，研发了一种高阻尼橡胶拉压耗能型易修复减隔震支座。图4所示为新型支座构造图，新型支座基于盆式支座，将减隔震与限位功能集于一体，具体见文献[22]。

由于支座制作存在误差，支座的初始拉、压间隙值可能稍有差别，为方便计算，设定支座拉、压间隙值相等，并将非线性的橡胶块刚度简化为线性。图5为支座各单元的骨架曲线及整体力学模型，其中限位单元的刚度k3远远大于橡胶块的刚度k2。

模拟新型支座，用双线性塑性连接单元里的随动硬化模型(Kinematic)模拟摩擦滞回关系；用多段线弹性连接单元模拟间隙和橡胶块单元、限位单元。多段线弹性连接单元沿着相同的路径加卸载，这一过程没有能量的耗散。

3.2.2 易损性分析

同普通连续梁桥分析方法一致，分析上述新型支座高速铁路连续梁桥。由图6可以看出，在近断层地震或远场地震作用下，同一损伤状态的减隔震连续梁桥易损性曲线趋于接近或重合，表明新型支座对近断层地震的减隔震效果显著。

注：1.支座主体，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.不锈钢板，7.高阻尼橡胶块，8.外连接钢板，9.内连接钢板，10.钢连杆，11.连杆限位件，12.连接螺栓，13.限位螺栓，14.限位挡块。图4 新型支座构造图Fig.4 Structural diagram of new spacing support

图5 支座各单元及整体的力学模型Fig.5 Mechanical model of different elements and supports

图6 不同地震下高速铁路减隔震连续梁桥易损性曲线Fig.6 Vulnerability curves of high-speed railway of seismic-isolation continuous beams under different earthquakes

3.3 高铁普通连续梁桥与减隔震连续梁桥对比分析

为评估新型支座的抗震性能，列出具有滑冲效应的近场地震作用下，高速铁路普通连续梁桥和减隔震连续梁桥的易损性曲线，如图7所示。比较上述结构的易损性曲线，可以发现，与普通连续梁桥相比，滑冲效应地震作用下，减隔震连续梁桥的地震响应明显减弱。实际上，在前方向性效应近场地震和远场地震作用下，具有相似的结论，限于篇幅，此处没有列出。

图7 滑冲效应下高速铁路连续梁桥易损性曲线Fig.7 Vulnerability curves of high-speed railway continuous beams under fling step

表5为设防烈度8.5时，滑冲效应下不同地震影响对应的高速铁路普通连续梁桥与减隔震连续梁桥的损伤概率。分析可知，随着地震影响强度的增加，同一损伤状态下，减隔震桥梁与非隔震桥梁的损伤概率差值越大，说明新支座能够有效地减少结构的地震响应，具有良好的减隔震功能。

表5设防烈度8.5时滑冲效应下普通连续梁桥与减隔震连续梁桥的中等损伤、严重损伤、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 结论

1)同一地震强度下，近断层地震比远场地震更具破坏性，特别是滑冲效应的近断层地震危害性更强，即在进行抗震设计时应将近断层地震的特点纳入考虑；超烈度地震下，高速铁路桥梁会出现一定程度的损伤，为预防超烈度地震尤其是具有近断层效应的超烈度地震，对于特别重大的工程，在进行抗震设防时，应适当考虑近断层地震的特点，甚至提高抗震设防水准。

2)同一地震强度下，相比于普通高速铁路桥梁，采用新型支座的减隔震桥梁的损伤概率更小，说明新型支座能够有效地减少结构的地震响应；同一损伤状态下，减隔震连续梁桥易损性曲线基本接近重合，说明新型支座对近断层地震的作用效果显著。

采用减隔震系统后，地震作用下的位移反应将相应增大，这对于线路轨道结构及其通行性的影响还需进一步研究。