近場強地震動特征下的橋梁響應探析

羅 娜

(福州市規劃設計研究院集團有限公司 福建福州 350000)

0 引言

我國處于地震頻發地區，地震具有“頻次多、強度大、分布廣、震源淺”等特點，對橋梁結構的破壞較大。橋梁工程作為交通運輸的重要組成部分，是為救災活動的生命線工程，若遭到地震的破壞，將導致救災困難加大[1]。因此，研究橋梁在地震震動過程中的相應規律，提高橋梁的抗震能力，為采取有效抗震措施提供科學依據。

在大地震近場，地震動受震源控制顯著，在近斷裂效應的影響下更為復雜。目前大震近場強震記錄數量較少，限制了近場地震動的工程破壞效應研究進展。2018年2月4日21時56分，中國臺灣花蓮縣附近發生6.4級地震，震源深度約10 km。此次地震造成17人死亡，295人受傷，至少175幢建筑物受損，4幢坍塌。2月6日23時50分，臺灣花蓮縣附近海域發生6.5級地震余震，震中位于北緯24.13°、東經121.71°，震源深度11.0 km。兩次地震都屬強震，且發震斷層穿過花蓮城區，破壞力大，發震斷層的近場觀測臺站成功收集到了主震和強余震的地震動記錄，部分地震動記錄表現出特殊的近斷裂特性，對研究地震動的近場效應及工程破壞作用力非常寶貴。本文利用花蓮地震的大量近場記錄，開展近場強地震動特征研究，分析其對自振周期不同的橋梁結構的破壞作用，為橋梁的抗震設防設計和采取抗震措施提供科學依據。

1 花蓮地震數據下載和處理

1.1 數據下載

本文采用從臺灣省地球物理氣象局地球物理數據下載中心下載的花蓮地震數據[2]，地震時間為2018年2月4日21時56分，并選擇以下19條進場強地震動記錄數據，臺站名稱(Station)和震中距(Distance)如表1所示。

表1 花蓮地震數據記錄

1.2 數據處理

對各原始數據進行基線調整、濾波和積分處理。

首先，基線調整。消除讀數器的系統誤差和地震中記錄紙畸變導致的記錄基線誤差。

其次，濾波去除高低頻噪音。采用帶通Butterworth濾波器，高頻和低頻截止頻率分別為0.2Hz和10Hz。濾波前和濾波后的地震動時程對比圖(圖1)，通過圖1可以看出，濾波可較好地去除高低頻噪音。

圖1 典型記錄的濾波對比圖

最后通過積分，得到19個臺站地震動的速度和位移時程圖。以HWA036臺站的水平分量地震動時程圖為例，如圖2所示。

圖2 HWA036臺站的水平分量地震動時程圖

1.3 幅值特征

幅值參數表征地震動的強度，即表征其對結構物破壞力的大小，對19個臺站兩個水平分量的峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration，以下簡稱PGA)、峰值地面速度(Peak Ground Velocity，以下簡稱PGV)、峰值地面位移(Peak Ground Displacement，以下簡稱PGD)按照臺站的震中距升序排列，結果如表2所示。

表2 花蓮地震數據記錄

根據表2中的幅值數值，繪制幅值隨震中距分布的散點圖，如圖3～圖5所示。圖中可見，PGA、PGV和PGD都表現出隨震中距增加而降低的特點。在20 km～30 km處地震動幅值較大，是由于該臺站距離發震斷層的最小距離，比距離地震破裂起始點的距離更小。

圖3 PGA隨震中距分布圖

圖4 PGV隨震中距分布圖

圖5 PGD隨震中距分布圖

1.4 持時特征

持時屬工程結構抗震設計與研究中不可或缺的地震動參數之一，目前尚無統一的定義，其種類不下 40余種(Bommer and Martinez，2000)[3]。本文采用較常用的顯著持時作為花蓮地震持時的衡量指標。顯著持時基于地震動能量累積過程定義，通過能量達到兩個規定閾值之間的時間段確定。工程中常取能量由5%累積至95%之間的時間段，即為5%～95%顯著持時，也是目前應用最為廣泛的顯著持時類型；為強調體波能量，有時也取能量累積由5%～75%之間的時間段，為5%～75%顯著持時，本文討論的顯著持時(Ds)均為5%～95%顯著持時(Ds595)。

本文計算了19個臺站的顯著持時，如表2所示，發現持時集中在15 s～25 s。同時繪制了顯著持時隨震中距衰減的散點圖，如圖6所示。從圖中可以看出，顯著持時并未表現出明顯的隨震級下降或上升的特征，這也與顯著持時的定義相符。顯著持時的計算，更多決定于時程自身Arias曲線的坡度，而受震中距的影響較小。

圖6 顯著持時隨震中距分布圖

1.5 頻譜特征

頻譜表征組成地震動時程的各頻率成分的振幅、能量等信息，通過對地震動的頻譜分析，可以發現，地震動中能量較為顯著的頻率組成，從而判斷其對不同結構物的影響。本文利用Matlab語言編制計算幅值、持時和傅立葉譜、反應譜的程序，并通過程序計算19個臺站兩分量地震記錄的加速度、速度、位移反應譜和傅立葉譜，部分臺站的傅立葉譜和反應譜圖如圖7所示。

圖7 HWA036和HWA014臺站的加速度、速度、位移傅立葉譜和反應譜圖

由圖中可知，花蓮地震記錄的短周期成分非常顯著，大部分臺站卓越周期都位于1 s以上周期段，這類地震動記錄，對自振周期較長的構筑物可能產生較大影響。

2 橋梁結構響應分析

2.1 計算模型

本文采用一橋長19.96 m，橋面凈空為7 m+2×0.75 m人行道的鋼筋混凝土簡支T型橋為具體算例，混凝土采用C30，主筋用HRB335鋼筋，其他用R235鋼筋，全斷面五片主梁，設五根橫梁。在有限元分析軟件Midas Civil中建模，靜力工況考慮橋面鋪裝和人行道鋪裝和自重。

同時建立另一個橋梁結構模型，邊界條件處即與基礎的連接、橋面和墩臺的連接進行不同設置，從而兩個橋梁模型的自振周期不同。A橋(自振周期1 s)和B橋(自振周期0.6 s)。A、B兩橋有限元模型如圖8～圖9所示。

圖8 A橋計算模型(長周期)

圖9 B橋計算模型(非長周期)

A模型共196個單元，187個節點。B模型共196個單元，189個節點。采用時程分析法進行橋梁結構地震響應分析。在開展分析前，對橋梁結構先行開展振型分析，可以得到橋梁的各項動力特性值，包含振型形狀或振型形象、固有周期、固有頻率、振型參與系數、振型參與質量等。

本文首先將橋面鋪裝和人行道鋪裝荷載轉化為質量；然后定義特征值分析控制信息。常用的振型分析方法有子空間迭代法、Lanczos方法和多重Ritz向量法，本文采用Lanczos方法，能比子空間迭代法計算速度快4～10倍。

《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/TB02-01-2008)規定[4]，需保證參與系數達到 90% 以上，這是盡可能包含對分析結果有影響的大部分主要振型。本文A、B兩橋在順橋向和橫橋向的參與系數總和均已符合規范規定要求，其中最高為96.95%，最低為93.10%。B橋在輸入一條地震波的反應結果，如表3所示。

表3 B橋特征值模態

2.2 響應結果

取本次臺灣花蓮地震三組地震動時程，同樣動力時程反應的地震激勵采用順橋向和橫橋向2種方式，結構動力反應的荷載組合為2向地震力加恒載作用，選取阻尼比為0.05，分析步長為0.005 s，A、B兩橋各控制截面(支座和跨中截面)的部分內力、位移等結果如圖10～圖17所示。

圖10 A橋在順橋向激勵下的MY

圖11 B橋在順橋向激勵下的MY

圖12 A橋在橫橋向激勵下的MY

圖13 B橋在橫橋向激勵下的MY

圖14 A橋跨中在順橋向激勵下的水平方向時程數據

圖15 B橋跨中在順橋向激勵下的水平方向時程數據

圖16 A橋在順橋向激勵下的X向位移

圖17 B橋在順橋向激勵下的X向位移

2.3 響應分析的結論

通過A、B橋梁相應結果數據對比，發現在選取的花蓮地震近場強地震動輸入的情況下，自振周期長的A橋橋梁受地震激勵后，內力反應如彎矩、位移等均遠遠大于B橋，證明花蓮地震顯著的周期成分，會引起自振周期較長的構筑物的較大反應。

3 結語

本文選取2018年花蓮地震的部分近場強地震動記錄，通過數據處理后計算每條地震動時程的幅值、持時、頻譜特征等三要素，并探討地震動三要素的空間變化特征，重點探討由方向性效應引起的地震動周期特征引起的橋梁結構響應。以典型鋼混簡支T型橋梁結構為例，建立結構分析模型，選取3個花蓮地震近場強地震動加速度時程記錄分別輸入不同振動周期的橋梁模型，分析花蓮地震記錄引起的橋梁結構響應特征，得出了以下幾點結論：

(1)大部分花蓮地震記錄都表現出顯著的短周期特征，PGA、PGV和PGD都表現出隨震中距增加而降低的特點，大部分記錄的卓越周期都位于1 s左右周期段。

(2)將花蓮地震記錄輸入自振周期分別為0.6 s和1 s的鋼筋混凝土簡支梁橋，對結構進行響應分析，發現自振周期較長的橋梁模型給出的響應更大，甚至嚴重破壞，從而證明短周期成分顯著的花蓮近場地震記錄，對自振周期為1 s的橋梁造成更多的不利影響。

(3)采用動力時程分析法來分析橋梁地震響應，考慮了地震動的三要素和結構的非線性問題。但計算較為復雜，并且需要對計算結果進行統計分析，有一定的應用局限性。