远场长周期地震作用对连续梁桥隔震响应影响分析

葛志刚

(福建亿达工程勘察设计研究院有限公司，三明 365000)

通过对汶川地震、 伊朗巴姆等多起严重自然地震灾害分析可知，该类地震波均具有明显的长周期特性。长周期地震波对自振周期较长的结构(如隔震建筑[1]、长柔桥梁、附加阻尼系统结构物)或深厚、软弱且松散的场地土破坏尤其显著。 其主要是因为远场长周期地震波在这种情况下会进一步放大长周期的地震频谱成分， 造成结构自振周期延长、阻尼增加、地震响应发生变化等。因此，结构抗震设计时， 不仅要考虑桩-土结合作用(Pile-Soil-Interaction，简称“PSI”)，还要考虑远场长周期地震波对结构的动力特性影响。查阅大量的相关文献发现：目前大部分的学者研究主要集中在近场地震波对桥梁结构的地震响应影响规律，而关于远场长周期地震波对桥梁结构(有无考虑PSI 效应、减隔震装置)的抗震性能影响研究鲜为报道。

综合上述分析，本文以某多跨连续梁桥为工程背景，选取普通地震波与远场长周期地震波(具有明显脉冲效应)共10 条作为地震输入波，对比分析在不同支座(铅芯橡胶支座、板式橡胶支座)类型、有无考虑桩-土结合作用下的地震响应差异性， 并深入探讨了远场长周期地震动对隔震桥梁的动力响应影响规律。

1 有限元模型的建立

1.1 分析模型

某四跨一联的连续梁桥跨径布置为120 m=4×30 m，上部主梁采用5 片单箱单室箱型变截面， 梁高1.6 m，顶板宽3.75 m，桥墩采用钢筋混凝土双柱式。上部箱梁均采用C50 混凝土、墩身采用C40 混凝土、桥梁桩基采用C30混凝土，其三维有限元模型如图1 所示。

图1 三维有限元模型布置图

1.2 支座设置

为探析在远场长周期地震动作用下有无安设隔震装置对桥梁结构的动力响应差异性， 在支座模拟方面分别考虑2 种模型：①非隔震桥梁：在3# 墩的墩顶设置纵向固定支座，其余4 个桥墩均设活动支座。②设置铅芯橡胶支座隔震模型： 根据 《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》(JT/T822-2011)[2]在1＃ 和5＃ 盖 梁 相 应 位 置 处 布 置HDRD300-H/8 铅芯橡胶支座，2#～4# 墩顶布设HDR(I)-D400-G8/8 铅芯橡胶支座。 支座的性能参数详见表1。

表1 支座参数

2 地震波频谱特性对比

分别选取Taft 波、Elcentro 波、DLT352 波和1 条人工合成波作为普通地震波；选取CHY093、ILA056、ILA004、KAU015、TAP012 和TCU110 作为远场长周期地震波。 表2 为6 条远场长周期地震波的基本信息， 在计算结构的地震响应分析时，将10 条地震波的峰值加速度峰值均调整为2 m/s2， 调整后的远场长周期地震波和普通地震波波形如图2～3。

表2 地震波参数信息

图2 普通地震波加速度时程图

图3 远场长周期地震波加速度时程图

由图2 普通地震波加速度时程曲线图可以看出，该类型地震波记录持时较短，且并无明显的简谐特性；从图3 时程图可以明显看出远场类谐和地震波不仅具有周期长、持时长特征，且ILA004 与ILA056 这两条地震波具有很显著的简谐特性。

图4 普通地震波加速度谱

图5 远场长周期地震波加速度谱

图4～5 分别为普通地震波与远场长周期地震波加速度反应谱。 从图4 中可看出，4 条普通地震波加速度反应谱与规范谱基本吻合。 相对于图5，6 条远场长周期地震波的加速度反应谱峰值明显大于规范谱， 并且远场长周期地震波的频谱成分明显大于普通地震波，部分远场长周期地震波的加速度反应谱还出现了双峰现象。 说明远场长周期地震波对于周期较长的高墩桥梁结构或一般的隔震桥梁结构将产生共振效应， 对结构造成更严重的破坏。

3 隔震原理

减隔震装置主要是通过将结构与可能引起破坏的场地运动尽可能分开，从而降低结构的破坏程度。可通过延长结构的基本周期，避开地震能量过于集中，从而降低结构的地震力。但通过延长结构自振周期达到折减地震力，必然导致结构位移偏大。为了控制变形过大，可通过在结构中增设阻尼装置，以增加结构的阻尼效应，从而在折减结构位移的同时降低结构的动力加速度。

合理的桥梁隔震系统应具有以下3 点功能[3]：①一定的柔度，可延长结构周期，降低地震力；②耗能能力(阻尼、耗能装置)：降低位移变形量；③一定的刚度、屈服力：在正常使用荷载下(如风，制动力等)结构不发生屈服等各种震害。

铅芯橡胶支座(LRB)能较好地满足这三点要求，其铅芯提供了地震力的耗能和正常使用荷载下所必需的屈服强度与刚度，在较低水平力作用下，因具有较高的初始刚度，其变形很小；在地震作用下，由于铅芯的屈服，一方面耗散地震能量，另一方面，刚度降低，达到延长结构周期的目的。

4 桩-土结构相互作用原理

如图6 所示， 考虑桩-土结合作用模型是在Penzien模型基础上作了进一步改进而成的。用集中质量法将桩-土系统离散为质量--弹簧系统时，采用以下假定：①在同一水平层土壤为各向同性线弹性体， 但不同层土壤性质是不相同的；②侧向土的性质在2 个正交方向彼此无关；③土壤的抗力在轴向、侧向和扭转方向不耦合，且属于小位移问题；④用等代土弹簧来反映土层的恢复力，其刚度用“m”法计算[4-6]。

图6 桩-土结合作用模型

本文桩单元采用梁单元模拟， 将土体对整个桩的水平抗力转化为弹簧单元对梁单元个别节点的水平抗力，从而计算出水平弹簧的刚度系数为kx=b0leym。

5 结果分析

5.1 动力特性分析

分别对考虑PSI 效应和墩底固结两种情况进行隔震前后的动力特性分析，前三阶自振周期对比见表3。

表3 隔震前后动力特性对比

由表3 可知，设置隔震支座后结构周期明显变长，这说明安装隔震支座后结构刚度变柔， 可有效延长结构的自振周期； 有考虑PSI 效应的自振周期明显比没有考虑长；由地震反应谱曲线可知，结构的自振周期延长后，上部结构的加速度值逐渐减小，使得结构的内力值也减小；且增设隔震支座后，结构的各阶振型也发生了变化，结构的第一阶振型由主梁的竖向弯曲变为纵向弯曲。

5.2 地震响应值分析

为明确长周期地震动作用下隔震桥梁地震反应的特点，本文对比非隔震与隔震桥梁分别在普通、远场长周期地震作用下的响应值。分别以3#桥墩的墩顶变形量作为桥墩的位移控制值，墩底单元的剪力、弯矩值作为桥墩内力响应值。 表4～5 为不同类型桥梁结构在纵向地震动作用下的桥墩控制截面响应值。

由表4 数值可知，在普通地震动作用下：设置铅芯橡胶支座的墩底剪力及弯矩值最大隔震率分别达到52.0%与71.5%， 可见隔震效果极其显著； 在长周期地震作用下，TCU110 波的剪力隔震率仅为5.2%，其他波作用下桥墩内力隔震率与普通波基本一致。因此，与普通地震动相比，在长周期地震动作用下，安设减隔震装置的桥梁内力响应值有一定幅度的减小。

表4 桥墩内力响应值

表5 桥梁支座位移

由表5 数值分析结果可知，对于隔震桥梁，无论受到何种地震波或是否考虑PSI 效应， 其位移都比没有隔震模型位移大。在不考虑PSI 效应的情况下：当普通地震动作用下，墩顶位移是非隔震的2.01 倍；长周期地震动下，支座位移是非隔震的2.55 倍。而考虑PSI 效应情况下：在普通地震动作用下，墩顶位移是非隔震的1.75 倍；长周期地震动下，支座位移是非隔震的3.82 倍。 由此可见在长周期地震动作用下， 隔震桥梁主要通过隔震支座破坏而耗散大部分的能量，从而降低结构破坏程度。另一方面可以看出， 无论是否考虑PSI 效应， 在普通地震动作用下，桥墩控制截面的位移量基本一致；而在远场长周期地震动作用下， 考虑PSI 效应的支座位移总是大于不考虑PSI 效应。

综合上述分析可知， 隔震装置是通过支座破坏以达到消耗地震能量来降低桥梁的破坏程度。 结构抗震设计验算时， 对于减隔震桥梁仅考虑常规地震动的影响是不全面的，应考虑长周期地震动对结构的安全性能影响。

图7～9 为代表性地选择远场长周期地震波、 普通地震波、人工地震波，分别在考虑PSI 效应或墩底固结情况下，隔震桥梁模型桥墩控制截面位移、墩底弯矩和剪力的地震响应时程对比图。

图7 El centro 地震波下PSI 与墩底固结的隔震桥梁地震响应时程图

图8 人工地震波下PSI 与墩底固结的隔震桥梁地震响应时程图

图9 ILA004 地震波下PSI 与墩底固结的隔震桥梁地震响应时程

从图7 可以看出，在El centro 地震波下，墩底固结模型比考虑PSI 内力响应值大，且数值差异较大，墩底固结模型比考虑PSI 的墩底剪力、 弯矩和位移峰值分别大123.7%、144.0%和310.0%。 由此可见按照墩底固结进行抗震设计过于偏保守而造成浪费，不可取。从图8～9 可以看出， 在人工合成波或ILA004 不同类型地震波作用下，墩底按固结计算模型均比考虑PSI 模型地震响应值小，其中墩底剪力值分别小26.4%和34.0%、 弯矩值分别小19.6%和33.7%、位移值小1.0%和31.3%。 不难看出在人工波或ILA004 波作用下，将墩底按固结方式进行抗震设计是偏颇的，应当考虑PSI 效应。

综合上述分析可知，在不同类型的地震波作用下，墩底按固结方式计算或考虑PSI 的地震响应值计算结果规律截然相反。 因此，在实际梁桥抗震设计时，应考虑PSI效应，避免结构设计过于偏安全或安全系数不满足要求，均不可取。

5 结论

(1)在远场长周期地震波作用下，不论有无考虑桩-土相互作用，隔震装置在连续梁桥中均能起到隔震作用，从而有效提高结构的抗震性能。

(2)在普通地震波作用下，连续梁桥墩底按固结方式计算的地震响应值远高于考虑桩-土结合作用的内力值。

(3)在人工合成波或远场长周期地震波作用下，考虑桩-土结合作用计算的桥墩内力值或位移值均比按固结模拟方式响应值大。

(4)实际梁桥结构抗震设计时，应当准确模拟桩-土效应对连续梁桥的抗震性能影响， 避免结构在不同类型的地震波作用下， 结构设计过于偏保守或安全系数不满足相关要求，从而影响结构的正常使用功能。