方向脈沖及豎向效應(yīng)對高鐵橋梁地震響應(yīng)影響

陳令坤 張楠 夏禾

摘要： 近斷層地震會給橋梁帶來嚴(yán)重損害，其方向脈沖及豎向地震動效應(yīng)日益引起研究者注意。以高速鐵路多跨簡支梁橋為研究對象，建立高烈度區(qū)地震作用下的非線性全橋模型，計算了水平及豎向地震作用下橋梁的彈塑性響應(yīng)。結(jié)果表明：近斷層地震下橋墩進入彈塑性階段，剛度的改變其自振周期隨之改變。相比遠斷層地震而言，近斷層地震以其較大的脈沖周期與進入彈塑性的橋梁相耦合，將加劇橋梁的非線性響應(yīng)。考察了豎向地震動對橋梁地震性能的影響，通過軸力變化改變影響橋墩滯回性能，增加塑性區(qū)變形，但不會導(dǎo)致墩頂橫向位移的增加。建議設(shè)計時采用近斷層地震因子及合適的豎向地震動參數(shù)考慮近斷層效應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞： 高速鐵路橋梁； 豎向地震； 速度脈沖； 非線性地震反應(yīng)； 近斷層地震因子

中圖分類號：U448.13文獻標(biāo)志碼： A文章編號： 10044523（2016）04070410

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.018

引言

近斷層地震對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響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，其地震動記錄表現(xiàn)出明顯的速度脈沖效應(yīng)以及較大的豎向地震動等近斷層效應(yīng)。研究表明：當(dāng)斷層的破裂前鋒朝著地震觀測臺站方向傳播，會導(dǎo)致地震能量的釋放并形成單向或者雙向速度脈沖。

關(guān)于近斷層地震的方向速度脈沖效應(yīng)，Benioff，Kasahara，Haskell以及BenMenahem等首先在地震記錄觀測中認(rèn)識方向脈沖效應(yīng)。1971年San Fernando 地震、1994年 Northridge地震及1995年 Kobe地震后，近斷層方向脈沖地震對結(jié)構(gòu)的巨大破壞作用日漸引起研究者關(guān)注。MacRae等[1]基于理想彈塑性模型研究了近斷層地震對于單自由度體系的影響。Baker & Cornell[2]論證了采用強度指標(biāo)進行結(jié)構(gòu)脈沖型近斷層地震性能分析的可行性。Zhou & Anil[3]采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分離（EMD）方法分離并抽取速度脈沖并進行非線性計算，計算結(jié)果與實際脈沖記錄吻合良好。McCallen等[4]研究了低頻長周期進場地震作用下OaklandSan Francisco 海灣大橋的動力響應(yīng)。

近斷層地震對結(jié)構(gòu)影響較大的另一個特征是其較大的豎向地震分量，即有較大豎向地震動與橫向地震動比值PGA（PGA=PGAV/PGAH），這已在最近的近斷層震害中所證實[5]。Kunnath等[6]以加州典型橋梁Camino Del Norte 橋為研究對象，采用OpenSees平臺計算了近斷層水平和豎向地震組合作用下橋梁地震響應(yīng)。研究表明：豎向地震的對梁跨中及橋墩的彎矩及橋墩剪力影響較大。針對現(xiàn)有橋梁設(shè)計規(guī)范包括AASHTO沒有精確考慮豎向地震動的情況，Legeron & Sheikh[7]給出一種適于短周期橋梁計算的簡便反應(yīng)譜方法。Sung等[8]以曾經(jīng)經(jīng)歷過Northridge地震的Santa Monica橋及美國聯(lián)邦公路管理局通用橋梁為研究對象，采用ZeusNL程序?qū)?shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相比較，重點研究了豎向地震動對橋梁地震響應(yīng)的影響。Gulerce等[9]基于水平及豎向地震下的不同截面及跨度公路橋梁為研究對象，分析了其工程需求參數(shù)及地震動強度指標(biāo)及豎向地震動的影響，為橋梁概率地震風(fēng)險評估提供參考。Saiidi等[10]通過橋墩及兩跨整橋大比例模型振動臺實驗，研究了豎向地震動對橋梁損傷類型及橋墩彈塑性變形的影響。

與公路橋梁相比，高速鐵路橋梁墩柱有很大不同，墩柱厚重，縱橫向高度比較大，縱筋率普遍較低，一般低于1%。《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范規(guī)定豎向地震取為橫向的65%。事實上，許多近斷層地震的豎向地震分量都遠大于橫向地震的65%，比如Northridge地震的Rinaadi波及NewhallFire Staion波的分別是橫向分量的102.0%及92.9%。因此若采用橫向的65%作為豎向地震動輸入進行結(jié)構(gòu)地震分析，會導(dǎo)致計算結(jié)果的較大偏差。同時，當(dāng)前的抗震設(shè)計實踐是基于反應(yīng)譜理論的，即便采用設(shè)計分組考慮設(shè)計近震及遠震，但無法考慮到方向性脈沖響應(yīng)及較大的豎向地震的影響。對于低配筋大軸力的鐵路橋梁，速度脈沖效應(yīng)及豎向地震動的影響仍然不甚明了，基于設(shè)計角度有必要對此問題探究。

中國地處環(huán)太平洋和歐亞兩大地震帶的交匯處，是全球最活躍的地震區(qū)之一，境內(nèi)至少有495個地震斷裂帶。快速組網(wǎng)的高鐵橋梁鄰近斷層或跨越斷層將不可避免。基于防震減災(zāi)角度，研究近斷層地震效應(yīng)對高鐵橋梁結(jié)構(gòu)影響亦是十分必要的。本文以高速鐵路大量使用的多跨簡支梁橋為研究對象，篩選具有速度脈沖及豎向地震效應(yīng)地震動記錄，建立非線性高速鐵路橋梁分析模型，考慮了軌道不平順的影響，計算了橫向（FN）及豎向（V）地震作用下橋梁的非線性地震響應(yīng)。通過與遠斷層地震的比較研究，定量地分析了近斷層地震效應(yīng)的影響。未來精確的地震區(qū)劃圖（主要地震活動帶將全部被勾畫出來）將會公布，本文為其必要性及高鐵橋梁抗震設(shè)計規(guī)范修訂提供依據(jù)。

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