近場地震動對樁基礎(chǔ)高墩搖擺反應(yīng)的影響

夏修身，李建中

近場地震動對樁基礎(chǔ)高墩搖擺反應(yīng)的影響

夏修身1，2，李建中1

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，200092上海；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，730070蘭州）

為明確樁基礎(chǔ)高墩自復(fù)位隔震裝置的適用范圍，研究了近場地震動特性對樁基礎(chǔ)高墩搖擺反應(yīng)的影響.以斷層距作為識別近場地震動的主要參數(shù)來選取地震動，采用兩彈簧模擬橋墩的提離搖擺，基于某鐵路高墩橋梁，采用非線性時程分析方法，討論了近場地震動對高墩搖擺反應(yīng)的影響.結(jié)果表明，近場水平地震動顯著增大墩頂?shù)膿u擺位移，豎向地震動對樁基礎(chǔ)高墩的搖擺反應(yīng)有不利影響.在近斷層地震區(qū)樁基礎(chǔ)高墩應(yīng)謹(jǐn)慎采用搖擺隔震裝置.

高墩；搖擺隔震；近場；地震動

高墩橋梁是抗震不利的結(jié)構(gòu)體系，在我國西部高烈度地震區(qū)被廣泛應(yīng)用［1］.強(qiáng)震作用下，簡支梁橋及連續(xù)梁橋的高墩頂產(chǎn)生較大位移、墩中可能會形成兩個以上的塑性鉸區(qū)及承臺底的地震作用巨大，給高墩及其樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計帶來很大困難［2-3］.常用的支座減、隔震裝置變形能力及自復(fù)位能力有限、適用頻率范圍較窄［4-5］.粘滯阻尼器不改變結(jié)構(gòu)周期減震效果較好，但其方向性較強(qiáng)、沖程有限、價格昂貴，還需要定期維護(hù)［6］.

樁基礎(chǔ)高墩自復(fù)位隔震通過橋墩與樁基礎(chǔ)在承臺處的分離設(shè)計，充分利用豎向荷載（橋跨重及橋墩自重）來平衡風(fēng)荷載、車輛活載的制動力及中小地震作用引起的水平荷載以滿足正常使用，強(qiáng)震時利用橋墩的提離進(jìn)行搖擺隔震，震后靠豎向恒載實(shí)現(xiàn)自復(fù)位.自復(fù)位隔震高墩的墩底提離彎矩基本恒定［1］，通過能力設(shè)計很容易同時保證橋墩及其樁基礎(chǔ)免受地震損傷.

地震動輸入是結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的重要影響因素之一.對地震動特性最基本的認(rèn)識是:振幅、頻譜和持時三要素.隨著地震動特性研究的深入，對結(jié)構(gòu)有重要影響的近場地震動特性及遠(yuǎn)場地震動特性被揭示［7-9］.本文重點(diǎn)討論近場地震動對高墩搖擺反應(yīng)的影響，為自復(fù)位隔震裝置適用范圍的確定提供參考.

1 近場地震動及其主要特征

1994年美國Northridge地震，1995日本Kobe地震和1999年臺灣集集地震中近場地震動的不利影響得到顯現(xiàn)［10］.國內(nèi)外學(xué)者提出了根據(jù)震中距、震源深度及距斷層距離定義近場地震動的方法.近場地震動通常指到斷層距離不超過20 km場地上的地震動.一般震中距小于50 km的地震動可以被認(rèn)為是近場地震動［7］.考慮到近場效應(yīng)受震級和場地條件等因素的影響，文獻(xiàn)［11］提出通過［20～60 km］斷層距區(qū)域界定近場地震動，得到了較多認(rèn)同.

盡管近場定義不統(tǒng)一，但近場地震有較長的周期、明顯高出的峰值、類似脈沖的波形，以高能量速度脈沖運(yùn)動為特征［12］.高能量速度脈沖會引起結(jié)構(gòu)較大的加速度、速度、位移沖擊，特別是在小阻尼情況下，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的位移和變形.大多數(shù)近場地震均具有明顯的速度脈沖效應(yīng)、較大的PGV／PGA值和豎向加速度［13］．由于速度脈沖顯著，近場地震動的PGV／PGA比值遠(yuǎn)大于普通的地震記錄．當(dāng)PGV／PGA＞0．2時，結(jié)構(gòu)的近場效應(yīng)明顯［10，14］．

通常地震中的豎向加速度比相應(yīng)的水平向加速度要小［15］.對于普通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計來說，豎向加速度效應(yīng)引起的軸力變化對結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)及抗震性能影響不大.對自復(fù)位搖擺隔震高墩來說則不然，豎向地震作用會引起橋墩對提離有重要影響的軸力變化［1，4］.此外，近場豎向地震動還包含更多的高頻成分［7］.

2 輸入地震動

為研究近場地震動效應(yīng)對高墩搖擺反應(yīng)的影響，以斷層距作為識別近、遠(yuǎn)場地震動的主要參數(shù)，綜合考慮PGV／PGA比值，從美國太平洋強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫（PEER）選取1999年臺灣集集地震的強(qiáng)震記錄作為地震動輸入.表1為2條強(qiáng)震記錄的震級、地面峰值加速度、地面峰值速度（PGV）和地面峰值位移（PGD）及斷層距等信息.其中，近場地震動CHY101水平分量的PGV／PGA=0.26＞0.2．

為了便于對比分析，搖擺反應(yīng)分析時表1中CHY101所示信息保持不變，而把CHY074水平地震波的幅值調(diào)整到與CHY101相同.圖1、圖2為幅值調(diào)整后5%阻尼的偽加速度譜和位移譜.豎向地震波的幅值按原來的豎向與水平比例相同調(diào)整.地震反應(yīng)分析時，分“水平”及“水平+豎向”兩種地震動輸入方式.

表1 地震波信息

圖1 偽加速度譜

圖2 位移譜

3 樁基礎(chǔ)高墩搖擺隔震分析模型

文獻(xiàn)［4］提出了樁基礎(chǔ)高墩搖擺隔震裝置（見圖3），強(qiáng)震下通過提離搖擺能達(dá)到既保護(hù)橋墩又保護(hù)基礎(chǔ)的抗震目標(biāo).

圖3 高墩基礎(chǔ)搖擺隔震裝置

橋墩在正常使用及多遇地震作用下的水平力由橋跨重及橋墩自重共同抵抗，橋墩不發(fā)生提離見圖3（a），此時按巖石地基上的擴(kuò)大基礎(chǔ)進(jìn)行抗震設(shè)計.強(qiáng)震下當(dāng)墩底地震彎矩超過恒載提供的抗傾覆彎矩時墩底的一側(cè)相對于樁基礎(chǔ)產(chǎn)生豎向的位移，發(fā)生提離（圖3（b）），提離后繞另一側(cè)搖擺，橋墩利用提離搖擺達(dá)到隔震目的［4］.搖擺過程中可通過鋼筋或鋼鉸線限制墩頂產(chǎn)生過大位移.若地震過程中不允許限位鋼筋發(fā)生屈服，限位鋼筋的用量可由其所受的地震作用及其強(qiáng)度來確定；若允許限位鋼筋發(fā)生屈服，則可根據(jù)地震中限位鋼筋的最大變形不超過其極限變形這一原則來確定其用量.

圖3所示的樁基礎(chǔ)高墩搖擺隔震裝置，橋墩在承臺上提離搖擺.墩底擴(kuò)大基礎(chǔ)本身的變形很小，承臺接近剛性.不考慮限位裝置的影響，本文用兩個豎向彈簧模擬強(qiáng)震下樁基礎(chǔ)高墩的提離搖擺［1］（見圖4）.模型中彈性梁單元模擬墩柱，集中質(zhì)量模擬橋跨重，剛臂單元模擬墩底擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)質(zhì)量堆積于擴(kuò)大基礎(chǔ)的重心，模型采用瑞利阻尼，提離彈簧只受壓.假定剛度與自振頻率不相關(guān)，置于半空間地基上矩形剛性基礎(chǔ)的豎向剛度，近似表示為［16］:

式中:Kv為豎向剛度；R0為等效半徑；A0為墩底擴(kuò)大基礎(chǔ)的截面積；G為基礎(chǔ)材料的剪切模量；ν為基礎(chǔ)材料的泊松比．

圖4 兩彈簧模型

4 樁基礎(chǔ)高墩搖擺反應(yīng)分析

4.1 基本分析數(shù)據(jù)

某單線鐵路特大橋，上部結(jié)構(gòu)為等跨布置32 m簡支箱形梁，下部結(jié)構(gòu)為圓端形空心高墩、群樁基礎(chǔ)，橋型立面布置示于圖5.以58 m高的18#橋墩為搖擺隔震研究對象，隔震前18#順橋向的第1周期為0.95 s.順橋向隔震設(shè)計時墩底擴(kuò)大基礎(chǔ)為C30混凝土、寬B=10 m，擴(kuò)大基礎(chǔ)底作用的恒載豎向力N=33 873 kN，截面積A0=120 m2.每端提離彈簧的剛度k=0．5Kv=2.1×108kN／m.文中以上參數(shù)取值能滿足正常使用［1］，以下分析計算借助MIDAS有限元軟件完成.

圖5 某鐵路高墩橋梁的立面布置（m）

4.2 結(jié)果及分析

3條強(qiáng)震記錄下的墩頂位移及墩底彎矩列于表2.圖6～10為僅水平地震動輸入下順橋向的搖擺反應(yīng).圖11～16為水平地震動及豎向地震動同時輸入下順橋向的搖擺反應(yīng).

圖6 墩頂水平位移時程曲線

圖7 墩頂水平速度時程曲線

圖8 基礎(chǔ)中心豎向位移時程曲線

圖9 墩底彎矩時程曲線

由圖6、表2可知，相同地震波峰值加速度下，CHY101波的墩頂水平搖擺位移遠(yuǎn)大于CHY074，約為1.9倍.這表明，近場地震動會顯著增大墩頂搖擺位移.文獻(xiàn)［1］中Taft波、El-centro及Northridge波的計算結(jié)果也有相同的現(xiàn)象.

由圖2可知，近場與普通地震下的位移譜曲線在3 s以后相差較大，這可能是造成兩計算結(jié)果差異較大的主要原因.墩頂搖擺位移對近場地震動特性比較敏感，與近場地震動以高能量速度脈沖運(yùn)動為特征也不無關(guān)系.近場地震動CHY101作用下引起的墩頂水平速度（見圖7）遠(yuǎn)大于普通地震動（CHY074）.近場速度脈沖對小阻尼結(jié)構(gòu)有不利影響［11］.盡管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有較大阻尼，但當(dāng)橋墩提離搖擺時，樁基礎(chǔ)（含地基土）等邊界約束減弱，結(jié)構(gòu)的阻尼會有所減小，此時直接承受高能量脈沖速度的沖擊，會造成橋墩產(chǎn)生較大的基礎(chǔ)豎向提離位移（見圖8），較大的基礎(chǔ)提離位移也會由剛體轉(zhuǎn)動效應(yīng)引起水平搖擺位移.本算例在CHY101波下，基礎(chǔ)的豎向提離位移為68.2 mm，由其引起的墩頂水平位移為791 mm，約占總位移的90%.因此，近場采用自復(fù)位搖擺隔震時應(yīng)注意采用相應(yīng)的限位措施，以控制墩底提離轉(zhuǎn)動引起的剛體位移.

表2 搖擺隔震反應(yīng)比較

由圖9、10及表2可知，近場CHY101與普通CHY0741的墩底彎矩時程曲線形狀相近，且CHY101的墩底彎矩峰值為219 374 kN·m，僅比CHY0741的大1.2%，提離搖擺后墩頂水平加速度也相差較小.這說明，就墩底彎矩而言，對近場地震動特性不敏感.這是因?yàn)椋卣鹣聯(lián)u擺隔震高墩具有明確的提離條件，當(dāng)墩底的地震彎矩大于其抗傾覆提離彎矩My=N·B／2時橋墩發(fā)生提離［1，4］，而水平地震動下對橋墩的軸力影響很小，故提離后橋墩發(fā)生搖擺，墩底約束變?nèi)酰鋸澗匾不静辉黾?本文算例的抗傾覆提離彎矩My= 169 365 kN·m，表2中的墩底地震彎矩略大于My是由于橋墩的動力放大效應(yīng)所致.

圖10 墩頂水平加速度時程曲線

由圖11、12及表2可知，考慮豎向地震動作用后近場地震動CHY101下墩頂?shù)奈灰圃黾?9%，普通地震動CHY074下墩頂?shù)奈灰圃黾?%.這說明，豎向地震作用對墩頂水平位移有較大影響，且近場的豎向地震動效應(yīng)相對更加顯著.

這是因?yàn)椋Q向地震動作用使墩底產(chǎn)生較大的地震軸力，并且地震軸力的方向隨地震動方向的改變而時刻在變.當(dāng)?shù)卣疠S力方向與恒載豎向力相反時，軸力變小進(jìn)而減小抗傾覆提離彎矩My，從而增加墩底提離次數(shù)、增大提離位移（見圖13）.前面已經(jīng)分析，提離轉(zhuǎn)動引起的墩頂水平位移在總位移中占絕對優(yōu)勢.這可以解釋為何產(chǎn)生了豎向地震動增大墩頂水平位移.近場的豎向地震動影響較大是因?yàn)榻鼒龅呢Q向地震動效應(yīng)顯著.

圖11 墩頂水平位移時程曲線（CHY101）

圖12 墩頂水平位移時程曲線（CHY074）

圖13 基礎(chǔ)中心豎向位移時程曲線（CHY101）

圖14 墩底彎矩時程曲線（CHY101）

圖15 墩底彎矩時程曲線（CHY074）

由圖14、15及表2可知，豎向地震作用均增大了墩底彎矩，其中近場地震動CHY101下墩底彎矩增大了19%，普通地震動下增大了6%.與墩頂位移相似，也是近場地震動的豎向地震動效應(yīng)影響較顯著.這是因?yàn)椋?dāng)?shù)卣疠S力方向與恒載豎向力一致時，會增大抗傾覆提離彎矩My（見圖16），減少墩底提離次數(shù)，從而增大墩底彎矩．

圖16 基礎(chǔ)底面中心的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系（CHY101）

綜合以上分析，樁基礎(chǔ)高墩自復(fù)位隔震裝置用于近場隔震時，由于產(chǎn)生較大的墩頂位移，為避免產(chǎn)生鄰梁或梁、臺之間的碰撞，應(yīng)采取相應(yīng)的限位及防碰撞措施.

5 結(jié) 論

1）搖擺隔震高墩的墩頂位移反應(yīng)對近場地震動特性比較敏感.近場地震動引起較大的墩頂位移，搖擺隔震設(shè)計時應(yīng)注意采用限位措施.

2）搖擺隔震高墩的墩底彎矩反應(yīng)對近場水平地震動特性不敏感，其結(jié)果與普通地震動接近.

3）近場豎向地震作用對墩頂位移有重要影響，會顯著增大墩頂位移.

4）近場豎向地震作用對墩底彎矩有較大影響，會明顯增大墩底彎矩.

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（編輯 趙麗瑩）

Effect of near-field ground motion on the rocking response of tall pier with pile foundations

XIA Xiushen1，2，LI Jiangzhong1
（1.College of Civil Engineering，Tongji University，200092 Shanghai，China；2.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，730070 Lanzhou，China）

To determine the scope of self-centering for the tall pier with pile foundations，the effect of nearfield ground motion on rocking response was investigated.Fault distance was used as parameters identifying near-field to select ground motion.Two springs simulated the uplift and rocking of the pier.Rocking response of a railway tall pier was investigated through nonlinear time history analysis by inputting strong ground motions.The results show that the displacement at pier top is significantly increased by near-field horizontal ground motion.It is also observed that vertical ground motion is unfavorable to the rocking response of tall pier with pile foundations.Rocking devices for tall piers in near-fault zones should be cautious.

tall pier；rocking；near-field；ground motion

U442.5+5

A

0367-6234（2014）04-0082-05

2013-05-26.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51268027，51278371）；

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2013CB036302）.

夏修身（1978—），男，副教授，博士后；

李建中（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

李建中，lijianzh＠tongji.edu.cn.