近场竖向地震动对大跨度桥梁研究现状及意义

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一、研究意义

通常情况下抗震设计或分析中常不考虑竖向地震动的影响，设计者认为水平地震力对结构的破坏起着决定性作用，而竖向地震力的作用微不足道。但是最近多次近断层区域的地震震害现象表明，近场地震动竖向加速度分量对桥梁破坏状态和破坏程度的影响是不容忽视的。近年来的集集地震和汶川玉树地震的震害调査结果表明，很多桥梁结构的破坏中都发现了竖向地震用留下的痕迹，而且发现有的结构破坏是直接因竖向地震作用而引起的，在高烈度区的近断层区域，这种现象变得更加显著，在部分近断层及发震断裂向地震动峰值加速度竟然超过相应的水平峰值加速度。

例如在1971年美国 San Femando地震中就记录到竖向1.25g加速度，当时曾被认为是记录到的最大加速度之一。在1976年前苏联格兹里地震中，就记录到了1.39g的最大竖向峰值加速度，竖向和水平向峰值加速度的比值更是达到1.63；在1979年美国的帝国山谷地震中，在断层10km附近的11个记录中，其中的一条地震动记录，竖向峰值加速度居然达到惊人的1.759g，在1994年 Northridge地震台站记录到的2个水平向峰值加速度为1.59g、1.29g和竖向峰值加速度为1.23g，而此台站离发震断层只有8km，可以看出竖向加速度峰值很接近水平向加速度的峰值。在此之后显著的竖向地震动及其造成的结构破坏开始得到更多的关注，2008年我国汶川地震中，百花大桥桥墩在墩底大量产生压溃破坏。

近场竖向地震动是导致桥墩压溃的直接原因。这一现象表明，针对近场竖向地震动，在桥梁设计过程中应充分考虑这一原因。近年来我国西南地区经济发展，大跨度桥梁数目不断增加，针对该体系的不足，开展近场地震动研究显得非常紧迫。

二、国内外研究现状

近场地震动是我们大家比较熟悉的概念，它指的是在震源的情况下，不能忽略地震波中的近场和中场区域的地震动。近场地震动是近期各国学者常常提到的一个术语。但是直到现今为止，近断层区域始终没有一个比较公认的定义，一般来说，将在断层破裂面20km以内的区域作为近断层区域。近年来近场地震动在地震学领域和地震工程领域研究的一个热点问题。很多研究已表明，近断层地震动具有脉冲特征和大幅值竖向加速度等显著区别于远场地震动的特性。大幅值竖向地震动是近断层地震动特性之一，这种特性在很多次强地震中的近断层区域地震动记录中都有所体现。国内外学者就脉冲特征做了大量的研究，相比之下大幅值竖向地震动的研究则相对较少。但是越来越多的证据表明，在近场区，竖向地面加速度的影响是不可忽视的。

1957年钱培风[1]教授首先提出竖向地震作用是造成某些砖烟囱破坏的主要原因。

1958年王光远教授[2]对高耸结构在竖向地震动作用下的反应提出了一种数学模拟和计算方法。

1959年前苏联的一位学者研究了竖向地震动下实体结构的振动。

1995年1月17日发生在日本阪神大地震也给科学界和工程界留下发人深省的问题：这次地震(在震中地区)竖向地震作用超过了水平地震作用。

1995年 Elnashai[3]对 Northridge地震中一座破坏的公路桥梁进行3向的非线性分析，发现竖向地震作用使桥墩轴向力发生变化，同时降低了其抗剪承载力。

1996年Yanf[4]分析了3座人行天桥的桥墩、基础、盖梁在地震作用下的响应，发现与水平地震单独作用相比，考虑竖向地震作用后桥墩的轴力增大了20%，墩底弯矩增大。

2002年Button进行了6座桥在6.5以及7.5地震烈度中，水平和竖向地震作用共同作用下的反应谱分析，并对其中3座进行了线性时程分析，对其中1座进行了非线性时程分析。通过分析发现，竖向地震作用并不会明显影响结构的水平地震响应，但会对桥墩的轴力造成很大影响，尤其是对于桥梁所在位置震源深度小于10～20km时。

王常峰和陈兴冲等[5]通过具体算例研究了竖向地震动对不同刚度桥梁抗震性能的影响，结果表明考虑竖向地震动后，桥墩墩底弯矩、支座剪力、支座竖向反力、滑动位移在某些情況下较不考虑竖向地震动大，说明竖向地震动对结构的地震反应有较大影响。

Kunnath等[6]研究分析了近场区竖向地震对公路立交桥的影响。通过大量非线性时程分析，考虑近场区水平和竖向两个方向分量的联合作用。分析结果表明地震动的竖向分量能够显著的增加柱中的轴力以及梁跨中和盖梁处的弯矩需求。柱的轴向承载力和梁在盖梁处的抗弯承载力足以对抗竖向地震所引起的作用。然而竖向地震动所引起的梁的跨中负弯矩则超过了其承载力。大跨度桥梁设计中，在近场区应该考虑竖向地震动的不利影响。

三、发展动态分析

近场竖向地震动对桥梁不利影响已经引起业内专家的重视，但是近场地震动下大跨度刚构桥桥墩处设置塑性铰还有待进一步研究，桥墩处设置塑性铰认为一个结构构件在受力时出现某一点相对面的纤维屈服但未破坏等优点，具有非常好的应用前景。作为针对这种塑性铰破坏机理，提出可行性解决方案尚需进一步研究；塑性铰在近场地震中起到的作用也需进一步研究。因此，本人认为需开展以下研究：(1)通过有限元数值分析，研究近场竖向地震动作用对大跨度刚构桥破坏机理和抗震性能的影响。(2)在确定该桥梁地震响应的基础上，针对在竖向地震动作用下大跨度刚构桥对桥墩塑性铰的破坏机理研究。(3)基于所研究的竖向地震动作用下，揭示Abaqus大轴力塑性铰精细化分析，进一步探讨基于这种塑性铰失效机理，提出可行性解决方案。探明不同峰值的近场竖向加速度对结构造成的破坏，探明同等峰值的竖向加速度对不同塑性铰单元桥墩的影响。研究成果可揭示近场竖向地震动作用下大跨度刚构桥结构的反应规律，对于大跨度刚构桥抗震设计具有重要意义；阐明塑性铰单元对桥墩承载力的影响，阐明针对这种塑性铰破坏机理，提出可行性解决方案，为以后同类型结构设计和修复提供提供参考和依据。