近斷層地震動關鍵特性對大跨徑網狀拱橋地震響應的影響研究

陳曦

（安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

地球物理學和地震學研究表明，近斷層地震具有兩種特殊的特征效應，分別為破裂方向性效應（Forwarddirectivity effect）和滑沖效應（Fling-step effect）。地震斷層的破裂一般是從斷層上的某一點或者某一區域開始，而后逐漸向外擴展，因而斷層的破裂擴展具有一定的傳播過程，當斷層沿著某一優勢方向以接近于震源區地殼介質剪切波速的速度破裂傳播時，在地震觀測數據中會出現明顯的方向性特征。速度脈沖型地震動分為由破裂傳播的多普勒效應引起的地震動向前方向性速度脈沖和由斷層的滑沖效應引起的地震動滑沖效應速度脈沖兩類，破裂方向性效應速度脈沖主要發生于垂直于斷層面的方向，而滑沖效應速度脈沖發生在斷層的滑動方向。滑沖效應一般使地震動速度時程中出現單向脈沖，而向前方向效應一般表現為雙向或多向速度脈沖。

這兩種產生機制的速度脈沖效應會顯著影響橋梁的地震響應規律，因此，本文將基于非線性動力時程分析，深入研究具備破裂方向性效應和滑沖效應的近斷層地震動對大跨徑網狀拱橋地震響應規律的影響，并與遠場地震動進行對比分析。

2 破裂方向性效應與滑沖效應

2.1 近斷層破裂的方向性效應

破裂的方向性效應與斷層的破裂方向和速度、斷層面的滑動方向和位錯的分布、斷層的傾角、觀測點的位置等因素有關。當斷層的傾角很大時，方向性效應主要表現在垂直于斷層走向的方向；當斷層的傾角很小時，方向性效應則主要表現在地震動的垂直分量上。方向性效應可根據斷層破裂方向與場地的關系分為前方向性效應、后方向性效應和中性方向性效應。因為一般認為地震動受前方向性效應影響時將加重工程結構的破壞，且是脈沖型地震動產生的主要原因之一，通常所提及的方向性效應均指前方向性效應。

2.2 滑沖效應

滑沖效應是指斷層上下兩盤由于相對運動使得地震動的速度時程中出現單方向半脈沖進而導致地面出現階躍式不可恢復位移的特性，一般激起結構體系的基本振型響應。一般認為滑沖效應對長周期結構的影響大于向前方向性效應。

3 工程案例研究

3.1 工程概況

本文選取主跨為190m 的下承式大跨徑鋼箱提籃網狀拱橋作為研究對象（以下簡稱算例橋梁）主橋橋型布置圖見圖1所示，研究近場地震的破裂方向性效應與滑沖效應對大跨徑網狀拱橋地震響應規律的影響。

圖1 算例橋梁的橋型布置圖

3.2 非線性抗震有限元模型

采用通用結構有限元分析軟件SAP2000 進行算例橋梁地震響應分析。在建立算例橋梁抗震有限元模型時，以順橋向為X 軸，橫橋向為Y 軸，豎向為Z 軸。其中，主梁、主拱圈、橋墩均離散為空間梁單元；主梁采用單梁式力學模型；拱橋吊桿采用空間桁架單元，考慮垂度效應和二階效應；支座采用連接單元模擬，并采用雙線性本構模型。承臺模擬為質點，并且承臺和樁基頂部節點采用主從連接。樁基礎采用一個6×6 集中土彈簧模型模擬土—樁基—橋梁結構的動力共同作用，該橋抗震有限元模型見圖2。結構阻尼比取0.03。

圖2 算例橋梁抗震有限元分析模型

首先，采用Ritz 向量法分析了橋梁結構的前600階振型，其中前3 階自振周期與振型特征分別為：第一階：1.235 s，拱肋一階對稱橫彎；第二階：0.798 s，主梁-拱肋一階縱飄；第三階：0.693 s，左側引橋對稱縱飄。

3.3 地震波輸入

本文分別選取了具有明顯破裂方向性效應和滑沖效應的近場地震動實測記錄各一條作為輸入地震波，其中，含破裂方向性效應的地震波編號為FD，滑沖效應為FS。同時，選取了一條實測遠場地震波，編號為FF，三條地震波的反算反應譜如圖3所示。由于譜加速度能夠較好地反映地震動強度對于結構地震響應的影響，故將三條地震波在縱向質量參與系數最大一階振型對應的譜加速度調到同一水平，以水平向+豎向作為地震動輸入方向，進行非線性動力時程分析。

圖3 調幅后所選地震波反應譜對比圖

3.4 地震響應非線性動力時程分析

算例橋梁關鍵控制截面包括過渡墩墩底截面與拱腳截面共8 個截面，截面位置如圖4所示。本文選擇縱橋向地震響應為例進行對比分析，具體見表格1 和表2。

表2 各控制截面地震響應位移值

圖4 算例橋梁關鍵控制截面位置示意圖

對比分析表1和2 可知，在同一地震動強度水平下，破裂方向性效應顯著增大了軸力與彎矩值，滑沖效應次之，無脈沖特性的遠場地震波對結構內力影響最小；對于縱橋向結構位移，無論在梁端處還是拱頂處，均為縱向位移最大，橫向位移最小，且滑沖效應作用下的結構位移最大。對比分析關鍵控制截面地震響應內力值與位移值可知，即使具有相同的地震動強度水平，具有滑沖效應和破裂方向性效應的近場地震波也會顯著增加大跨徑網狀拱橋的地震響應。其中，破裂方向性效應對網狀拱橋的截面內力響應影響最大，而滑沖效應對結構位移影響更為顯著，遠場地震動的影響最小。

表1 各控制截面地震響應內力值

4 結論

本文選擇了一座主跨為190m 的下承式大跨徑鋼箱提籃網狀拱橋作為研究對象，建立相應的非線性抗震有限元模型，分別選擇具有破裂方向性效應與滑沖效應的實測地震波以及遠場地震波各一條，采用縱橋向質量參數系數最大一階振型對應的譜加速度作為地震動強度參數，通過調幅將該譜加速度調整到同一強度水平，采用縱橋向+豎向的地震動輸入方向，進行非線性動力時程分析，對比分析三條地震波作用下算例橋梁各關鍵截面和節點的地震響應，可以獲得以下結論：

（1）在同一地震動強度水平下，具有破裂方向性效應的近場地震波會顯著增加大跨徑網狀拱橋的地震內力響應；

（2）在同一地震動強度水平下，具有滑沖效應的近場地震波會顯著增加大跨徑網狀拱橋的地震位移響應；

（3）在同一地震動強度水平下，近場地震波由于不具有脈沖特性，其產生的地震響應最小。