跨断层桥梁地震响应特性研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｌａｗｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｆａｕｌｔｓ ａｎｄ ｔｏ ｐｒｏ－ ｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅｓ，ａ ｂｒｉｄｇｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｉｋｅ－ ｓｌｉｐ ｆａｕｌｔ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａ－ ｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎｐｕｔ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｔｉｍｅ－ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｂｒｉｄｇｅｓ ｃｒｏｓｓ－ ｉｎｇ ｆａｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙ－ ｓｉｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｉｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｆａｕｌｔｓ ａｒｅ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｇｒｅａｔ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｍｏｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｇｇｅｒｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎ－ ｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｇｉｒｄｅｒｓ，ｂｅａｒｉｎｇｓ ａｎｄ ｐｉｅｒｓ ｏｎ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ ａｒｅ ｏｐｐｏｓｉｔｅ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｔｅｒｍｉｎａｔｅｓ，ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｘｉｓｔ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｒｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｇｒｅａｔ ｒｉｓｋ ｏｆ ｄａｍａｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｉｔ ｉｓ ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔｅｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｆｏｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ｓｏ ａｓ ｔｏ ｌｅｓｓｅｎ ｏｒ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ａｄｖｅｒｓｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．
域潜在 震 级 上 限 为 ７．５ 级，最 大 水 平 错 距 １．５ ｍ。 该桥采用铅芯橡胶 支 座；桥 墩 采 用 等 截 面 矩 形 空 心 墩，跨断层桥跨两侧桥墩 尺 寸 为 ５．５ ｍ×４ ｍ，其 余 桥墩尺寸为５．５ｍ×３ｍ；桩基采用直径２．２ｍ 的钻 孔灌注桩。
图 １ 多 跨 简 支 梁 桥 桥 型 布 置 Ｆｉｇ．１ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ－Ｓｐａｎ Ｓｉｍｐｌｙ－Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｂｅａｍ Ｂｒｉｄｇｅ
桥 梁 建 设 ２０１５ 年 第 ４５ 卷 第 ３ 期 （总 第 ２３２ 期 ）
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Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．３，２０１５ （Ｔｏｔａｌｌｙ Ｎｏ．２３２）
文 章 编０６
跨断层桥梁地震响应特性研究
惠 迎 新１，２，王 克 海１，２
３ 地 面 运 动 模 拟 跨断层桥梁的地面运动是地震动中最为复杂的
一种，以断层破裂方 向 性 效 应 和 静 态 滑 冲 效 应 引 起 的脉冲型地面运 动 为 主 要 特 征。 对 于 走 滑 断 层，主 要表现为垂直 于 断 层 分 量 （ＦＮ）的 破 裂 方 向 性 脉 冲 效应和平行于断层分量（ＦＰ）的 滑 冲 效 应，其 中 滑 冲 效应在断层两侧将产生方向不同的地面永久位移。 通常垂直于断层方向的方向性效应和平行于断层方 向的滑冲效应几乎同时发生，应同时予以考虑 。 ［８］
根据田 玉 基 等 对 ［９］ 速 度 脉 冲 型 地 震 记 录 的 统 计，速度脉冲的周期通 常 大 于 １ｓ，即 速 度 脉 冲 是 小 于１ Ｈｚ的 低 频 成 分 。 因 此 在 短 周 期 （高 频 ），等 效 脉 冲的加速度反应谱与实际地震记录的加速度反应谱 不符。为此，本文采 用 地 震 动 混 合 模 拟 法 分 别 模 拟 大 于１ Ｈｚ的 高 频 部 分 与 小 于１ Ｈｚ的 低 频 脉 冲 部 分 （破 裂 方 向 性 效 应 和 滑 冲 效 应 ），然 后 将 二 者 叠 加 ，合 成包含多种频率成分并且能够反映跨断层地面运动 特 点 的 地 震 动 时 程。 高 频 部 分 按 照 Ｔｈｒáｉｎｓｓｏｎ 等［１０］提出的基于相位差谱的 人 工 地 震 动 模 拟，低 频 部分的破 裂 方 向 性 脉 冲 效 应 和 滑 冲 效 应 分 别 采 用 Ｍａｋｒｉｓ和 Ｃｈａｎｇ［１１］提 出 的 双 半 波 速 度 脉 冲 模 型 和 单半波速度脉冲 模 型 模 拟。 其 中，破 裂 方 向 性 脉 冲 效应的速 度 脉 冲 周 期、幅 值 分 别 为 ３．７５ｓ 和 １５３ ｃｍ／ｓ；滑冲效应的速度脉冲幅值为 ４０ｃｍ／ｓ，断层两 侧永久地面位移为７５ｃｍ，以上地震动参 数 由 Ｓｏｍ－ ｅｒｖｉｌｌｅ［１２］提出的统计回归公式计算得 到。 高 频 时 程 与低频时程叠加获得的垂直于断层方向和平行于断
（１．东南大学，江苏 南京 ２１００９６；２．交通运输部公路科学研究院，北京 １０００８８）
摘 要 ：为 了 解 跨 断 层 桥 梁 地 震 响 应 规 律 ，为 桥 梁 抗 震 设 计 与 研 究 提 供 参 考 ，以 一 座 跨 越 走 滑 断层梁桥为研究对象，利用混合 模 拟 法 合 成 了 跨 断 层 桥 梁 地 面 运 动 时 程，基 于 地 震 动 位 移 输 入 模 型 ，采 用 非 线 性 时 程 分 析 法 计 算 了 该 桥 的 结 构 地 震 响 应 ，并 从 内 力 和 位 移 响 应 方 面 与 对 应 近 断 层 桥 梁 进 行 了 对 比 分 析 。 结 果 表 明 ：跨 断 层 梁 桥 的 桥 墩 承 受 较 大 扭 矩 ；在 断 层 错 动 方 向 ，断 层 两 侧 主 梁 、 支 座 及 桥 墩 的 内 力 、位 移 响 应 方 向 相 反 ，地 震 动 结 束 后 ，存 在 显 著 的 残 余 内 力 和 位 移 ，具 有 较 大 的 结 构 破 坏 风 险 。 建 议 设 计 时 应 基 于 跨 断 层 桥 梁 的 地 震 响 应 特 性 ，进 行 针 对 性 的 抗 震 设 防 ，以 减 轻 或 避 免结构破坏带来的不利影响。
为了 解 跨 断 层 桥 梁 地 震 响 应 规 律 和 特 点，为 跨 断层桥梁的抗震设 计 与 研 究 提 供 参 考，本 文 以 一 座 跨走滑断层的桥梁 为 例，利 用 混 合 模 拟 法 合 成 了 跨 断 层 桥 梁 的 地 面 运 动 时 程 ，通 过 有 限 元 数 值 模 拟 ，分 析该桥的地震内力响应及位移响应，并提出设防建议。
关 键 词 ：简 支 梁 桥 ；跨 断 层 ；破 裂 方 向 性 效 应 ；滑 冲 效 应 ；有 限 元 法 ；地 震 响 应
中图分类号：Ｕ４４１．３；Ｕ４４８．２１７ 文献标志码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｂｒｉｄｇｅｓ Ｃｒｏｓｓｉｎｇ Ｆａｕｌｔｓ
跨 断 层 桥 梁 地 震 响 应 特 性 研 究 惠 迎 新 ，王 克 海
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１ 引 言 建于活动断层区域的结构物在地震时具有较大
的破坏风险。为此，国 内 外 抗 震 规 范 提 出 了 相 关 建 议予以规避，如禁止 在 活 动 断 层 之 上 新 建 结 构 物 或 要求与活动断层之间设置一定的避让距离。然而对 于 跨 越 峡 谷 、河 流 等 障 碍 物 的 桥 梁 结 构 ，往 往 因 各 种 客观条件的限制，无 法 完 全 避 免 桥 梁 结 构 跨 越 活 动 断 层 。 在 台 湾 集 集 地 震 、土 耳 其 地 震 和 汶 川 地 震 中 ， 多座桥梁由于穿过活动断层而发生严重破坏甚至全 桥 垮 塌 。 ［１～３］
ＨＵＩ Ｙｉｎｇ－ｘｉｎ１，２，ＷＡＮＧ Ｋｅ－ｈａｉ １，２
（１．Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８８，Ｃｈｉｎａ）
２ 工 程 概 况 依托工程为５×６０ ｍ 多 跨 简 支 梁 桥 （图 １），全
长３００ ｍ。 主 梁 采 用 单 箱 单 室 钢 箱 梁 截 面，梁 高 ３ ｍ。由于受到 路 线 总 体 规 划、地 形 地 貌 等 多 方 面 客 观 条 件 的 限 制 ，不 得 不 采 用 桥 梁 形 式 跨 越 活 动 断 层 ， 跨断层桥跨为该桥第３跨。所跨活动断层为具有左 旋分量的走滑断 层，断 裂 走 向 与 桥 位 基 本 垂 直。 依 据 地 质 构 造 条 件 、历 史 地 震 等 地 震 安 评 资 料 ，桥 址 区
业 标 准 项 目 （ＪＴＧ－Ｃ－２０１０１２） Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （２００９ＤＦＡ８２４８０）；Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｒｅｇｉｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓ－ ｐｏｒｔ（２００９３１８２２３０９４）；Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ（ＪＴＧ－Ｃ－２０１０１２） 作 者 简 介 ：惠 迎 新 ，博 士 生 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｉｙｘ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 研 究 方 向 ：桥 梁 抗 震 。