近场地震作用下考虑碰撞效应的桥梁地震响应分析

邓 宁，魏 炜，王 晶，邓 君

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

在我国的云南、西藏和四川部分地区由于靠近地震断裂带，部分桥梁结构不可避免地要跨越断层建造。近场地震动和普通地震动相比，会明显放大桥梁的动力响应[1]，因此在这种情况下如何保证桥梁有足够的抗震能力成了首要解决的问题。

目前，已有一部分学者对近场地震动作用下桥梁结构动力响应做了相关研究，李小珍[2]等探讨了某五跨两联桥在近场滑冲型地震动作用下桥梁结构的响应特征。黄佳梅等[3]通过IDA分析方法对某五跨梁桥在近场地震动下的时变易损性进行了探讨。徐天妮[4]研究结果表明桥梁结构响应和场地类型以及震源机制息息相关，地震波应综合考虑多种因素来选取。蓝先林等[5]对悬索桥在近场地震动下的动力响应做了研究，结果表明近场脉冲型地震产生的位移最大。

由于相关规范并没有明确给出应对断层附近或跨越断层的抗震设计方法，为此，本文选取了某高墩刚构-连续梁桥工程实例并使用OpenSees软件对全桥结构进行有限元模拟，采用了模拟碰撞行为较为精确且全面的赫兹-阻尼模型，通过不同类型地震动来对比分析刚构-连续梁桥的动力响应的变化。

1 工程概况及有限元模型建立

本算例为刚构-连续梁组合体系，主桥为(50+90+50) m的连续刚构桥；引桥为(25+25+25) m的连续梁桥，引桥总长度为75 m。具体主桥和引桥的桥墩编号如下页图1所示。主桥桥墩及过渡墩截面形式为空心矩形截面，引桥采用实心圆形双柱墩。引桥中靠近过渡墩一侧使用固定盆式支座连接，其余均采用活动盆式支座。

在OpenSees软件建模中，主梁模拟采用弹性梁柱单元。墩柱采取了纤维截面来模拟充分考虑其非线性特性，使用了基于力的非线性梁柱单元(Force-based Beam-column Element，FBE)。活动盆式支座的模拟则用理想弹塑性材料并赋予零长度单元(Zero-Length Element)来反映支座的力学特性，参数具体取值根据相关文献[6]查询，桥台以及桩基础固结简化处理。梁-梁和梁-台间的碰撞效应采用简化后且具有更好适用性的双线性的赫兹-阻尼模型来模拟桥梁结构可能发生的碰撞行为。

2 天然地震波输入

在近远场地震动选波原则上，近远场断层距以及矩震级根据Halldorsson[7]等人的研究，地震速度峰值与加速度峰值的比值(PGV/PGA)往往被用来作为区分近远场的参数[8-9]，场地确定方式参考美国NEHRP，结合本桥实际桥址条件通过相关规范生成算例桥梁的设计反应谱并采取谱兼容[10]原则选取天然地震波。如下页表1～3所示分别为所选取的地震动的详细信息，其具体反应谱和设计反应谱匹配情况如下页图2所示。地震波加载方向为桥梁纵桥向，根据桥址条件和规范把所选天然地震波进行调幅至0.4 g，以便后文进行桥梁动力响应分析，阻尼模型采用Rayleigh阻尼，其阻尼比取值为5%。

图1 桥梁空间有限元模型图

表1 近场脉冲型地震动信息表

表2 近场无脉冲型地震动信息表

表3 远场地震动信息表

(a)近场脉冲型地震动

(b)近场无脉冲地震动

(c)远场地震动

3 桥梁的动力响应结果分析

3.1 不同类型地震动作用下桥梁动力响应

从表1～3可知，选取近场脉冲型地震动、无脉冲地震动和远场地震动各3条进行分析计算，取主桥桥墩以及过渡墩作为分析对象，如图3～6所示为桥墩不同响应计算结果，如表4所示为具体响应值列表。综合计算结果来看，远场普通地震波的桥墩响应结果比较接近，且3#～5#桥墩的各项响应值最小，近场无脉冲地震动次之，近场脉冲型地震动响应值最大。以远场普通地震动的墩底弯矩为例，其各墩弯矩值分别为3.58×104kN·m、1.88×105kN·m和2.11×105kN·m，而近场无脉冲地震动分别是其1.64倍、1.16倍和1.17倍，近场脉冲型地震动分别是其2.14倍、1.54倍和1.45倍。这说明近场脉冲型地震动相比其他两种类型地震动更具破坏性，将会激起桥梁更为剧烈的动力响应。除此之外，近场脉冲型地震动较一般地震动会带来更剧烈的碰撞力。由此可见，近场脉冲型地震动会显著放大桥梁动力响应且带来更剧烈的碰撞效应从而造成桥梁上部结构部分构件的损伤或者破坏。对可能面临近场地震动作用的桥梁进行设计时，应采取适当的耗能阻尼器或者减碰措施。

表4 不同类型地震动作用下桥墩响应值表

图3 墩底剪力峰值曲线图

图4 墩底弯矩峰值曲线图

图5 墩顶位移峰值曲线图

图6 各伸缩缝间碰撞力峰值曲线图

3.2 不同脉冲周期地震动桥梁动力响应

由表1的地震波信息，根据脉冲周期的不同可把相应9条地震波分为3类，其中RSN722、RSN723和RSN1045为短周期组，其平均周期为2.5 s；RSN802、RSN803和RSN1193为中等周期组，其平均周期为5.62 s；RSN1489、RSN1493和RSN1505为长周期组，其平均周期为11.8 s。分别输入相应3组地震记录，得到主桥桥墩以及过渡墩计算结果，具体如图7～10及表5所示。总的来看，长周期的近场脉冲型地震动作用下，其3#～5#墩各项动力响应结果最小，而中等周期结果最大，短周期介于两者之间且和中等周期相差不大。长周期地震动作用下3#～5#墩的墩底剪力分别为2 335 kN、8 184 kN和9 618 kN，短周期分别为其的1.06倍、1.148倍和1.146倍；中等周期分别为其1.19倍、1.167倍和1.169倍。本桥的一阶周期为2.137 s，短周期和中等周期地震动在2 s之后仍具有较高的加速度谱值，所以更能激发桥梁的动力响应，且在强震作用下，桥梁结构达到塑性状态，刚度发生退化从而导致结构周期变长。以上分析表明，近断层区域桥梁不仅要考虑近场脉冲型地震动影响，更应该重视相应的脉冲周期。

表5 不同脉冲周期地震动作用下桥墩响应值表

图7 墩底剪力峰值曲线图

图8 墩底弯矩峰值曲线图

图9 墩顶位移峰值曲线图

图10 各伸缩缝间碰撞力峰值曲线图

4 结语

本文使用OpenSees软件对某刚构-连续梁桥工程实例进行有限元建模，综合考虑地震作用下桥梁结构的非线性特性以及碰撞过程的非线性特性，探讨了在考虑碰撞效应情况下不同类型地震动对全桥动力响应的影响。主要得到以下结论：

(1)近场脉冲型地震动相比其他两种类型地震动更具破坏性，将会激起桥梁更为剧烈的动力响应。除此之外，近场脉冲型地震动较一般地震动会带来更剧烈的碰撞力。

(2)在对近断层桥梁进行设计时，不应只考虑近场地震动的影响，还应该把桥梁结构间可能发生的碰撞效应考虑进去，针对桥梁上部结构部分构件可能发生的损伤或者破坏，应设置适当的耗能阻尼器或者采取减碰措施。

(3)不同脉冲周期的地震动对桥梁结构影响有较为明显的区别，因桥梁在强震中刚度不断退化导致阻尼和周期变长，所以脉冲周期对桥梁动力响应带有不确定性，设计时应引起重视。