考慮近活動(dòng)斷層效應(yīng)的鐵路上承式鋼桁拱橋抗震分析

童登國(guó)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

1 近活動(dòng)斷層地震

為了深入研究近活動(dòng)斷層效應(yīng)對(duì)鐵路大跨度橋梁抗震性能的影響，根據(jù)近活動(dòng)斷層地震時(shí)程的特征，選定擬建的某進(jìn)藏鐵路一座上承式鋼桁拱橋方案，對(duì)其進(jìn)行非線性時(shí)程反應(yīng)分析，探索近活動(dòng)斷層效應(yīng)對(duì)鐵路大跨度拱橋的受力影響規(guī)律及控制因素。

1.1 近活動(dòng)斷層地震的危害

我國(guó)是世界上地震活動(dòng)較為強(qiáng)烈的國(guó)家之一。尤其是近幾十年來(lái)，全球發(fā)生的多次破壞性地震靠近城市，造成非常嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。其重要原因就是作為生命線工程的橋梁結(jié)構(gòu)在地震中遭到嚴(yán)重破壞，切斷交通，給救災(zāi)工作帶來(lái)巨大困難。

而在近活動(dòng)斷層地區(qū)，地震的破壞力往往成倍增加。由于橋梁損毀、山體滑坡和墜石造成道路阻斷，更增加了地震應(yīng)急救援的難度。比如1999年臺(tái)灣集集地震和2008年的汶川地震，其引發(fā)的次生災(zāi)害，使交通基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重?fù)p毀，近活動(dòng)斷層和震中地區(qū)多數(shù)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村對(duì)外交通一度完全中斷。據(jù)初步判斷，其中損毀較為嚴(yán)重的橋梁距離主發(fā)震斷層或斷裂大多在20km范圍內(nèi)。

目前，在我國(guó)西部開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略中，進(jìn)藏的鐵路和高速公路即將開(kāi)始建設(shè)，將進(jìn)入滇西北、藏東南及川西等高烈度地震區(qū)，且將出現(xiàn)大量高墩大跨橋梁結(jié)構(gòu)。這些大跨結(jié)構(gòu)及新型橋梁已超出我國(guó)現(xiàn)行鐵路工程、公路工程橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的適用范圍；我國(guó)在臨近活動(dòng)斷裂帶建設(shè)大型橋梁的實(shí)踐也不足；目前的抗震設(shè)計(jì)理論和抗震措施中的許多技術(shù)問(wèn)題，如標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算方法、構(gòu)造措施等需要進(jìn)行研究和探索。因此，近活動(dòng)斷層地震大型復(fù)雜橋梁的抗震設(shè)計(jì)研究勢(shì)在必行。

1.2 近活動(dòng)斷層地震的基本特征

地震所引起的地表地震動(dòng)峰值加速度是地震災(zāi)害的基本要素，它與地質(zhì)條件、地形條件密切相關(guān)。目前我們的抗震設(shè)計(jì)中采用的場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度時(shí)程，一般是先根據(jù)潛在震源區(qū)、地震活動(dòng)性參數(shù)及地震動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系，利用概率分析方法，對(duì)工程場(chǎng)地進(jìn)行地震危險(xiǎn)性計(jì)算，得出工程場(chǎng)地不同概率水準(zhǔn)下的基巖水平地震加速度峰值；然后再考慮局部場(chǎng)地條件的影響，計(jì)算場(chǎng)地地表處地震反應(yīng)的地震動(dòng)加速度時(shí)程和反應(yīng)譜值，作為建筑物抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)。在影響地震動(dòng)的主要因素中，考慮了震源機(jī)制、地震波傳播路徑和場(chǎng)地條件，但無(wú)法反映近活動(dòng)斷層地震動(dòng)速度脈沖和長(zhǎng)周期等重要特征。

根據(jù)近年來(lái)對(duì)近活動(dòng)斷層強(qiáng)震的觀測(cè)資料、地震過(guò)程的反演和近活動(dòng)斷層地震動(dòng)的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)近活動(dòng)斷層地震動(dòng)的基本特征主要有：①近活動(dòng)斷層強(qiáng)地震動(dòng)的集中性；②地表破裂和永久位移；③破裂的方向性效應(yīng)；④近活動(dòng)斷層的速度大脈沖。

1.3 近活動(dòng)斷層地震分析方法

本文建議在距離活動(dòng)斷裂帶20km范圍內(nèi)大跨度橋梁，應(yīng)在采用普通地震時(shí)程波進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以速度脈沖作為地震輸入，考察大跨度橋梁在近活動(dòng)斷層地震動(dòng)下的響應(yīng)。即對(duì)于近活動(dòng)斷層橋梁，在3條貼合規(guī)范反應(yīng)譜的地震波基礎(chǔ)上，從收集的實(shí)測(cè)近斷層地震動(dòng)波庫(kù)中，按照?qǐng)龅仡愋汀蛑泛蛿鄬拥木嚯x等，在波庫(kù)中選擇類似的3條(或7條)近斷層地震波，取橋梁在3條(或7條)地震波下的最大(平均)響應(yīng)作為橋梁在近活動(dòng)斷層作用下的最終響應(yīng)。近活動(dòng)斷層區(qū)域的橋梁抗震需同時(shí)滿足常規(guī)抗震規(guī)范要求和近活動(dòng)斷層特殊地震動(dòng)的抗震要求。

2 有限元模型的建立

2.1 模擬算例概況

以擬建的某進(jìn)藏鐵路一座大跨度上承式鋼桁拱橋梁方案作為分析算例。該橋橋式方案采用主跨280m鋼桁拱橋，矢跨比4.29(圖1)。

圖1 擬建的上承式鋼桁拱橋方案立面(算例)

拱肋采用Q500qE，聯(lián)結(jié)系采用Q420qD。拱上立柱采用鋼桁結(jié)構(gòu)，立柱間距37.5m，交界墩采用混凝土橋墩。主拱拱頂桁高6m，橫向間距9m，拱腳桁高10m，橫向間距20m。拱肋截面尺寸1.8m×2.0m。拱上粱部結(jié)構(gòu)采用跨徑8×37.5m鋼-混結(jié)合連續(xù)梁，在每個(gè)主梁和鋼立柱之間布置四個(gè)支座。橋址區(qū)設(shè)計(jì)地震峰值加速度0.20g，周期0.45s。距離橋址區(qū)約7km處存在一潛在活動(dòng)斷裂帶。

2.2 有限元模型

大跨度鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)采用兩級(jí)抗震設(shè)防，兩階段設(shè)計(jì)方法，其基本性能目標(biāo)應(yīng)滿足“中震不壞、大震可修”。中震，即E1地震作用，采用50a內(nèi)超越概率10 %，地震重現(xiàn)期為475a；大震，即E2地震作用，采用50a內(nèi)超越概率2 %，地震重現(xiàn)期為2 475a。

采用通用有限元軟件建立橋梁動(dòng)力計(jì)算模型，采用非線性時(shí)程分析法對(duì)E1地震作用、E2地震作用進(jìn)行分析。整體計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 擬建的上承式鋼桁拱橋方案抗震計(jì)算模型

2.2.1 單元類型

拱肋：對(duì)于拱肋中的鋼材，采用彈性梁?jiǎn)卧M。

拱肋橫撐、立柱：在E2地震作用下，橋墩柱、拱肋橫撐、拱上立柱等構(gòu)件可能會(huì)首先材料屈服而進(jìn)入材料彈塑性工作階段，因此需考慮這些構(gòu)件的非線性，可通過(guò)集中塑性鉸模型。

主梁(橋道梁)：在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求上部結(jié)構(gòu)在E1、E2地震中始終處于彈性狀態(tài)。因此，采用彈性梁?jiǎn)卧M主梁。

結(jié)構(gòu)自重、二期恒載等均作為集中質(zhì)量施加。

2.2.2 材料非線性本構(gòu)關(guān)系

拱肋橫撐、立柱中鋼材以及混凝土中鋼筋，采用雙線性各向同性硬化模型本構(gòu)關(guān)系曲線，根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度設(shè)置空間塑性鉸模型。

2.2.3 邊界條件

當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生破壞時(shí)，修復(fù)難度和成本均非常大，通常將拱肋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成地震時(shí)不破壞，即認(rèn)為拱腳約束處理為固結(jié)。

拱上梁結(jié)構(gòu)與拱上立柱采用橫、豎向耦合的方法進(jìn)行模擬。

2.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算

該上承式鋼桁拱橋方案模態(tài)振型分析結(jié)果如表1和圖3所示。該橋基本自振周期較大，第一階自振周期為2.13s，對(duì)應(yīng)的振型為梁拱對(duì)稱橫彎?；菊裥椭芷谂c近場(chǎng)地震動(dòng)卓越周期較為接近，因此近場(chǎng)地震響應(yīng)可能會(huì)比較強(qiáng)烈。

表1 擬建的上承式鋼桁拱橋方案前六階自振特性

(a)第一階f=0.470Hz主拱一階橫向

3 地震動(dòng)輸入?yún)?shù)的選取

與遠(yuǎn)場(chǎng)地震相比，近活動(dòng)斷層地震動(dòng)具有長(zhǎng)周期、速度脈沖等顯著特征。為了對(duì)比近場(chǎng)地震及遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)大跨度上承式拱橋的不同影響程度，現(xiàn)針對(duì)相同的場(chǎng)地條件合成或選擇不同的地震動(dòng)時(shí)程。

3.1 遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)時(shí)程的合成

上承式鋼桁拱橋結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.02，依據(jù)GB50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的反應(yīng)譜曲線人工合成三組遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)加速度時(shí)程(圖4)。

(a)設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜

3.2 近場(chǎng)地震動(dòng)時(shí)程的選擇

擬建橋梁場(chǎng)地類別為Ⅱ類，選取的三條近活動(dòng)斷層地震波為臺(tái)灣集集地震實(shí)測(cè)波(圖5)。近場(chǎng)地震波基本參數(shù)如表2所示。E1地震動(dòng)水平加速度峰值調(diào)整至0.2g，E2地震水平加速度峰值調(diào)整至0.38g。豎向地震動(dòng)加速度峰值相應(yīng)調(diào)整為水平向的0.67倍。

表2 選取的近場(chǎng)地震波基本參數(shù)

(a)TCU068時(shí)程波

4 近遠(yuǎn)場(chǎng)地震響應(yīng)規(guī)律對(duì)比研究

依據(jù)生成的三組遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)人工波及選擇不同的地震動(dòng)時(shí)程，計(jì)算地震響應(yīng)結(jié)果提取最大值。動(dòng)力計(jì)算工況如表3所示。

表3 橋梁抗震計(jì)算工況

4.1 近遠(yuǎn)場(chǎng)地震位移響應(yīng)對(duì)比

對(duì)比該上承式鋼桁拱橋在近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震有車工況整體位移，由表4所示可以看出：

(1)近遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下，最大變形的分布形式相近。

(2)遠(yuǎn)場(chǎng)E2地震作用下，順橋向最高的鋼立柱墩頂變形最大，最大變形為0.33m，橫橋向拱頂變形較大，最大變形為0.35m，拱肋最大豎向變形發(fā)生在3/8截面處，約為0.18m；而在近場(chǎng)E2地震作用下，順橋向最高的鋼立柱墩頂變形最大，最大變形為0.78m，橫橋向拱頂變形較大，最大變形為0.89m，拱肋最大豎向變形發(fā)生在3/8截面處，約為0.24m；相同地震動(dòng)峰值加速度情況下，考慮其近活動(dòng)斷層效應(yīng)對(duì)橋梁的位移計(jì)算影響很大。

表4 該上承式鋼桁拱橋在近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下的最大位移響應(yīng) m

4.2 近遠(yuǎn)場(chǎng)地震內(nèi)力應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比

4.2.1 構(gòu)件名義應(yīng)力分布

分析該上承式鋼桁拱橋在近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震有車工況下的構(gòu)件名義應(yīng)力分布可以看出：

(1)拱肋上最大應(yīng)力發(fā)生在拱頂和拱腳。

(2)拱肋豎腹桿應(yīng)力水平也較高，其應(yīng)力極值發(fā)生在立柱與拱圈連接處以及拱腳位置，其中中立柱與拱圈連接處的應(yīng)力最大。

(3)拱肋斜腹桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在近拱腳處。平聯(lián)橫桿和平聯(lián)斜桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在1/4拱圈處。

4.2.2 構(gòu)件名義應(yīng)力值

對(duì)比該上承式鋼桁拱橋在近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震有車工況構(gòu)件名義應(yīng)力，由表5可以看出：

(1)遠(yuǎn)場(chǎng)E2地震動(dòng)作用下，鋼立柱最大應(yīng)力489MPa，拱腳處弦桿最大應(yīng)力416MPa，拱肋弦桿(除拱腳處)最大應(yīng)力430MPa，拱肋腹桿最大應(yīng)力247MPa，平聯(lián)桿最大應(yīng)力185MPa，鋼立柱帽梁最大應(yīng)力503MPa。

(2)近場(chǎng)E2地震動(dòng)作用下，鋼立柱最大應(yīng)力788MPa，拱腳處弦桿最大應(yīng)力596MPa，拱肋弦桿(除拱腳處)最大應(yīng)力639MPa，拱肋腹桿最大應(yīng)力345MPa，平聯(lián)桿最大應(yīng)力335MPa，鋼立柱帽梁最大應(yīng)力763MPa；相同地震動(dòng)峰值加速度情況下，考慮其近活動(dòng)斷層效應(yīng)對(duì)橋梁的名義應(yīng)力計(jì)算影響很大。

表5 該上承式鋼桁拱橋在近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下的最大應(yīng)力對(duì)比 MPa

5 結(jié)論

本文旨在探索近活動(dòng)斷層地震的顯著特征及對(duì)大跨度橋梁受力的影響規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)以往地震災(zāi)害調(diào)研，距離主發(fā)震斷層或斷裂在20km范圍內(nèi)橋梁損毀較為嚴(yán)重，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其近活動(dòng)斷層效應(yīng)影響。

(2)近活動(dòng)斷層區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)方法。應(yīng)在3條(7條)貼合規(guī)范反應(yīng)譜的地震波基礎(chǔ)上，從收集的實(shí)測(cè)近斷層地震動(dòng)波庫(kù)中，按照?qǐng)龅仡愋汀蛑泛蛿鄬拥木嚯x等，在波庫(kù)中選擇類似的3條(或7條)近斷層地震波，取橋梁在3條(或7條)地震波下的最大(平均)響應(yīng)作為橋梁在近活動(dòng)斷層作用下的最終響應(yīng)；近活動(dòng)斷層區(qū)域的橋梁抗震需同時(shí)滿足常規(guī)抗震規(guī)范要求和近活動(dòng)斷層特殊地震動(dòng)的抗震要求。

(3)近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律。與遠(yuǎn)場(chǎng)地震相比，近活動(dòng)斷層地震動(dòng)具有長(zhǎng)周期、速度脈沖等顯著特征。大跨度拱橋在近活動(dòng)斷層地震動(dòng)作用下響應(yīng)更大。相同地震峰值加速度和場(chǎng)地條件下的近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震分析對(duì)照，近活動(dòng)斷層地震對(duì)拱橋明顯不利，易控制抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

(4)從該橋算例分析來(lái)看，對(duì)于近活動(dòng)斷層拱橋的鋼立柱、拱頂上下弦桿、拱肋腹桿、平聯(lián)橫桿名義應(yīng)力均最大，在E2地震作用下組合應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)材料屈服應(yīng)力，應(yīng)通過(guò)采取合理設(shè)置減隔震措施和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以解決。