近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥的地震响应特征分析

陈扬 张铭 王秋良 秦维秉 李井冈

中国地震局地震大地测量重点实验室 湖北省交通规划设计院股份有限公司 浙江省地震局 中国长江三峡集团有限公司

摘 要： 以一座双塔双索面半飘浮体系大跨度斜拉桥为工程背景，计算分析了纵向+竖向和横向+竖向激励下近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动对大跨斜拉桥地震响应的影响。结果表明：近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动作用下，大跨斜拉桥主塔和主梁的地震响应规律基本相同；近断层脉冲型地震动对大跨斜拉桥主塔和主梁的内力和位移均具有一定程度的放大效应，其中对主塔纵向位移和主梁竖向和横向位移的放大效应十分显著；纵向+竖向激励下大跨斜拉桥主塔纵向位移和主梁竖向位移对近断层脉冲型地震动比较敏感，主梁竖向弯矩和主塔纵向弯矩的敏感程度相对较弱；横向+竖向激励下大跨斜拉桥主梁横向位移对近断层脉冲型地震动最敏感，主梁横向弯矩的敏感程度相对次之，主塔横向弯矩和横向位移敏感程度最弱。

关键词： 桥梁工程;大跨斜拉桥;近断层地震动;脉冲效应;地震响应;

基金： 中国长江三峡集团有限公司科研项目，项目编号0799216;中国地震局地震研究所和应急管理部国家自然灾害防治研究院基本科研业务费专项资助项目，项目编号IS201616251;

1 研究背景

大跨斜拉桥作为当代大跨度桥梁的主流桥型[1],具有大柔度、长周期、低阻尼等特点，在大型跨海工程中应用广泛。由于我国地处板块交界地带，综合考虑建设成本、建设周期等各种影响因素的制约，许多跨海大桥不得不建在近断层区域。近断层地震动具有的低频、大幅值速度脉冲波形，极易导致自振频率较低的大跨斜拉桥产生较大的结构响应[2],使桥梁发生严重破坏甚至倒塌。

目前，众多学者对近断层地震动对大跨度斜拉桥地震响应的影响及其作用下大跨度斜拉桥的抗震性能进行了深入的研究。Ismail等[3]研究了近断层地震动作用下设置基础减隔震支座的大跨斜拉桥的地震响应；张凡等[4]研究了破裂前方效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲3组近断层地震动作用下大跨斜拉桥的地震响应；Karaca等[5]研究了大跨斜拉桥在近断层地震动和远场地震动作用下的地震响应；夏春旭等[6]研究了近断层多脉冲地震动作用下斜拉桥地震响应特征；侯烈等[7]研究了近断层脉冲效应对大跨度结合梁斜拉桥地震响应的影响。但现有研究基本都是以地震记录的水平分量作为结构主轴方向输入地震动，没有考虑地震记录竖向分量对大跨斜拉桥的影响。而大量宏观震害调查和强地震动观测数据表明，近断层竖向地震动十分显著，并且给工程结构造成比较严重的影响[8]。因此，有必要考虑近断层竖向地震动分量对大跨斜拉桥地震响应的影响。

本文以一座双塔双索面半飘浮体系大跨度斜拉桥为研究对象，基于PEER NGA强震数据库，选取近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动作为地震输入，进行结构地震响应分析，研究3组地震动条件下纵向+竖向和横向+竖向激励下的大跨斜拉桥结构的地震响应特征。

2 地震动选取及其特性参数

为研究在近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥的地震响应特征，由PEER NGA强震数据库[9]选取近断层脉冲型、近断层非脉冲型和远场地震动3类地震动，具体选择的3类地震动共21条，每组各7条，其地震动分组及其详细参数见表1。为排除不同地震震源机制、地表破裂形式、破裂速度、地震动空间分布特征等因素的影响，选择的地震动全部来源于中国台湾集集(Chi-Chi)地震。同时，为了能够最大程度降低场地因素对结果分析的影响，根据台湾气象局的场地分类标准，全部选择来自于硬场地的地震动记录。

表1 地震动分组及其特性参数

注：(1)下标H为水平向地震动，下标V为竖直向地震动；AH/VH为水平向地震动PGV与PGA比值；AV/VV为竖向地震动PGV与PGA比值；Tp为脉冲周期；(2) NF - P 表示近断层脉冲型地震动； NF - NP 表示近断层非脉冲型地震动； FF 表示远场地震动。

3 大跨斜拉桥地震响应特征分析

3.1大跨斜拉桥有限元模型

跨径布置为63 m +257 m +648 m +257 m +63 m 的某大跨度双塔双索面半飘浮体系斜拉桥，主塔采用高为215 m 的钢-混凝土人字形钢索塔结构(桥面以下塔柱和横梁采用钢筋混凝土结构),主梁采用宽33 m 的扁平钢箱梁，拉索采用4×21共84根斜拉索，空间扇形索面。主塔与主梁之间设置纵向弹性约束，辅助墩顶设置竖向约束(纵、横向均不约束),过渡墩顶设置竖向支座和横向约束。

采用 Midas Civil 桥梁有限元分析软件建立该大跨度双塔双索面半飘浮体系斜拉桥空间有限元模型，如图1所示。主塔和主梁采用梁单元模拟，且主梁采用“鱼骨梁”模型[10];斜拉索采用空间桁架单元模拟，边跨辅助墩支座、过渡墩支座以及主塔与主梁之间采用弹性连接模拟，塔底采用固结模拟。

3.2大跨斜拉桥地震响应分析

为分析近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥地震响应特征，将表1中各地震动参数值分别以纵向+竖向和横向+竖向两种输入方式输入某大跨斜拉桥空间有限元模型。近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动水平向PGA均统一调幅至0.15 g, 竖向地震动按比例调幅。选取大跨斜拉桥主塔和主梁的关键截面作为取样点，主要分析大跨斜拉桥主塔与主梁的弯矩和位移响应，计算结果取每组地震动时程分析的平均值。同时，为了量化近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动作用下大跨斜拉桥地震响应的差异，分别计算近断层脉冲型地震动和近断层非脉冲型地震动作用下，结构响应幅值相对于远场地震动作用下，结构响应幅值的放大系数。

图1 大跨斜拉桥空间有限元模型

3.2.1纵向+竖向激励下大跨斜拉桥地震响应分析

近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动纵向+竖向激励下，大跨斜拉桥主塔顺桥向弯矩和位移包络图如图2所示。可以看出，纵向+竖向激励下3类地震动对大跨斜拉桥主塔顺桥向弯矩和位移的影响规律基本相同：(1)主塔纵向弯矩包络值沿塔高呈下降趋势，在上、下塔柱变截面处发生突变，其主塔弯矩在下塔柱增长趋势十分显著，并在塔底达到最大值；(2)随塔高增加，主塔纵向位移呈增大趋势，塔顶处位移最大；(3)桥面以下塔柱位移增长趋势较缓，而桥面以上塔柱位移增长明显。这主要是因为该大跨度斜拉桥主塔下塔柱和下横梁为钢筋混凝土结构，而上塔柱为钢塔结构，其交接处结构刚度发生变化。

对比纵向+竖向激励下近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动对大跨斜拉桥主塔地震响应的影响发现，3类地震动作用下大跨斜拉桥结构响应幅值存在显著差异。近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥主塔纵向弯矩和位移都十分显著，近断层非脉冲型地震动和远场地震动作用下大跨斜拉桥主塔纵向弯矩和位移相对较小。这主要是因为大跨斜拉桥为长周期结构，而近断层脉冲型地震动含有显著的长周期成分[11],使得在纵向+竖向激励下，近断层脉冲型地震动更容易激发主塔的低阶基本振型(一阶主塔正对称纵弯和一阶主塔反对称纵弯)。而近断层非脉冲型地震动和远场地震动无显著长周期成份且其包含丰富的高频成份[12],主要激发主塔自振周期集中在短周期段的高阶振型。另外，为量化纵向+竖向激励下近断层脉冲型地震动相较于近断层非脉冲型地震动和远场地震动对大跨斜拉桥主塔响应的放大效应，给出了主塔响应放大系数曲线，如图3所示。可以发现，近断层脉冲型地震动作用下主塔纵向弯矩放大系数平均值为1.69,主塔纵向位移放大系数平均值为2.81。相比之下，近断层非脉冲型地震动作用下主塔弯矩和位移放大系数较小，其主塔纵向弯矩放大系数平均值为1.10,主塔纵向位移放大系数平均值为1.36。

图2 纵向+竖向激励下大跨斜拉桥主塔响应包络图

近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动纵向+竖向激励下，大跨斜拉桥主梁竖向弯矩和竖向位移包络图如图4所示。可以看出，纵向+竖向激励下3类地震动对大跨斜拉桥主梁竖向弯矩和位移的影响规律基本相同：(1)主梁竖向弯矩呈现出两边大中间小的特点，在边跨区域达到极大值，究其原因主要是因为该大跨斜拉桥边跨跨径较小，且在边跨设置配重，使得边跨的刚度比中跨大；(2)主梁竖向位移峰值曲线呈现出两边小中间大的特点，在跨中区域达到极大值，并且主梁的竖向位移并不完全对称。

图3 纵向+竖向激励下大跨斜拉桥主塔响应放大系数

图4 纵向+竖向激励下大跨斜拉桥主梁响应包络图

对比纵向+竖向激励下近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动对大跨斜拉桥主梁地震响应的影响发现，3类地震动作用下大跨斜拉桥结构响应幅值存在显著差异。其中，近断层脉冲型地震作用下主梁竖向弯矩和竖向位移都较为显著，近断层非脉冲型地震动和远场地震动作用下主梁竖向弯矩和竖向位移响应相对较小。近断层脉冲型地震动和近断层非脉冲型地震动作用下主梁响应放大系数曲线如图5所示。可以发现，近断层脉冲型地震动作用下主梁竖向弯矩放大系数平均值为1.91,主梁竖向位移放大系数平均值为2.55。相比之下，近断层非脉冲型地震动作用下主梁竖向弯矩和竖向位移放大效应较小，主梁竖向弯矩放大系数平均值为1.10,主梁竖向位移放大系数平均值为1.14。

图5 纵向+竖向激励下大跨斜拉桥主梁响应放大系数

根据上述分析结果，列出了纵向+竖向激励下大跨斜拉桥主塔和主梁响应的放大系数平均值，见表2。可以看出，纵向+竖向激励下近断层脉冲效应对大跨斜拉桥主塔和主梁的地震响应均有明显的放大效应，近断层非脉冲型地震动对大跨斜拉桥主塔和主梁地震响应的放大效果不显著。其中，大跨斜拉桥主塔纵向位移和主梁竖向位移对近断层脉冲型地震动更敏感，而主梁竖向弯矩和主塔纵向位移对近断层脉冲型地震动的敏感程度相对较弱。

表2 纵向+竖向激励下放大系数平均值

3.2.2横向+竖向激励下大跨斜拉桥地震响应分析

近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动横向+竖向激励下，大跨斜拉桥主塔横桥向弯矩和位移包络图如图6所示。可以发现横向+竖向激励下3类地震动对主塔横向弯矩和横向位移的影响规律基本相同，且与纵向+竖向激励下3类地震动对主塔纵向弯矩和纵向位移的影响特点相似。

图6 横向+竖向激励下大跨斜拉桥主塔响应包络图

对比横向+竖向激励下近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动对大跨斜拉桥主塔地震响应的影响发现，近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动作用下大跨斜拉桥主塔横向弯矩和横向位移响应幅值的差别不是很显著。这主要是因为与大跨斜拉桥主塔横向变形相关的主塔横弯振型均为高阶振型(对应的周期在短周期段内),使得近断层脉冲型地震动的长周期分量对主塔的影响较小。近断层脉冲型地震动和近断层非脉冲型地震动响应幅值相对于远场地震动响应幅值的放大系数曲线如图7所示，可以发现，近断层脉冲型地震动作用下主塔横向弯矩放大系数平均值为1.17,主塔横向位移放大系数平均值为1.41;近断层非脉冲型地震动作用下主塔横向弯矩放大系数平均值为1.11,主塔横向位移放大系数平均值为1.30。

图7 横向+竖向激励下大跨斜拉桥主塔响应放大系数

近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动横向+竖向激励下，大跨斜拉桥主梁横向弯矩和位移包络图如图8所示。可以发现，横向+竖向激励下3类地震动对主梁横向弯矩和横向位移的影响规律基本相同：(1)主梁横向弯矩包络曲线与五跨连续梁类似，其边跨辅助墩、主塔和主梁跨中处主梁横向弯矩都比较大，这主要是因为边跨主边跨辅助墩设置的横向约束和主塔对主梁横向的约束作用都比较强；(2)主梁横向位移峰值曲线基本对称，呈现出两边小中间大的特点，并在跨中区域达到极大值。

图8 横向+竖向激励下大跨斜拉桥主梁响应包络图

对比横向+竖向激励下近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动对大跨斜拉桥主梁地震响应的影响发现，近断层脉冲型地震作用下主梁横向弯矩和横向位移较为显著，近断层非脉冲型地震动和远场地震动作用下主梁横向弯矩和横向位移响应相对较小。近断层脉冲型地震动和近断层非脉冲型地震动作用下主梁响应放大系数曲线如图9所示，可以发现，近断层脉冲型地震动作用下主梁横向弯矩放大系数平均值为1.92,主梁横向位移放大系数平均值为2.63。相比之下，近断层非脉冲型地震动作用下主梁横向弯矩和横向位移放大系数较小，其作用下主梁横向弯矩放大系数平均值为1.12,主梁横向位移放大系数平均值为1.19。

根据上述分析结果，列出了横向+竖向激励下大跨斜拉桥主塔和主梁响应的放大系数平均值，见表3。可以看出，横向+竖向激励下近断层脉冲效应对大跨斜拉桥主梁的地震响应有明显的放大效应，而对大跨斜拉桥主塔地震响应的放大效果不显著，近断层非脉冲型地震动对大跨斜拉桥主梁和主塔地震响应的影响相对较小。其中，大跨度斜拉桥主梁横向位移对近断层脉冲型地震动最敏感，主梁横向弯矩对近断层脉冲型地震动的敏感程度次之，而主塔横向弯矩和横向位移对近断层脉冲型地震动的敏感程度相对较弱。

图9 横向+竖向激励下大跨斜拉桥主梁响应放大系数

表3 横向+竖向激励下放大系数平均值

4 结语

本文以一座双塔双索面半飘浮体系大跨度斜拉桥为研究对象，基于PEER NGA强震数据库选取近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动作为地震输入，进行地震响应分析，研究了纵向+竖向和横向+竖向激励下3组地震动对大跨斜拉桥结构地震响应的影响规律，然后进一步计算了近断层脉冲型地震动和近断层非脉冲型地震动作用下结构响应幅值相对于远场地震动作用下结构响应幅值的放大系数，分析了近断层脉冲型地震动作用对大跨斜拉桥地震响应的影响，得到了以下结论。

(1)近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动作用下，大跨斜拉桥主塔和主梁的内力与位移分布规律基本相同。但是，近断层脉冲型地震动对大跨斜拉桥主塔和主梁的内力和位移均具有一定程度的放大效应，对主塔纵向位移和主梁竖向和横向位移的放大效应十分显著，而对主塔横向弯矩和横向位移以及主梁竖向弯矩和横向弯矩的放大效应不显著。

(2)纵向+竖向激励下大跨斜拉桥主塔纵向位移和主梁竖向位移对近断层脉冲型地震动比较敏感，主梁竖向弯矩和主塔纵向弯矩对近断层脉冲型地震动的敏感程度相对较弱；横向+竖向激励下大跨斜拉桥主梁横向位移对近断层脉冲型地震动最敏感，主梁横向弯矩对近断层脉冲型地震动敏感程度相对次之，而主塔横向弯矩和横向位移对近断层脉冲型地震动的敏感程度相对最弱。

参考文献

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