張煜敏，趙國(guó)輝，劉健新

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064)

0 引言

在一定時(shí)間內(nèi)，發(fā)生在同一震源區(qū)的一系列大小不同的地震，且其發(fā)震機(jī)制具有某種內(nèi)在聯(lián)系或有共同的發(fā)震構(gòu)造的一組地震總稱為地震序列，具有叢集的特征。強(qiáng)度等級(jí)高的地震，往往會(huì)伴隨著強(qiáng)余震的發(fā)生。結(jié)構(gòu)遭遇強(qiáng)震之后，較強(qiáng)烈的余震會(huì)使震害進(jìn)一步加深，有時(shí)余震對(duì)結(jié)構(gòu)物的倒塌起著決定性的作用［1］。如唐山7.8級(jí)大地震中，主震后15h內(nèi)發(fā)生了6.8和7.1級(jí)強(qiáng)余震各一次。灤河大橋在主震中并未倒塌，而是在7.1級(jí)的強(qiáng)余震中發(fā)生橋墩折斷、橋梁落架、倒塌。1952年7月21日美國(guó)加州南部發(fā)生7.7級(jí)地震，而Bakersfield城卻毀于8月22日發(fā)生的5.8級(jí)強(qiáng)余震中。

橋梁結(jié)構(gòu)在防災(zāi)減災(zāi)工程中屬于生命線系統(tǒng)工程，是現(xiàn)代城市交通生命線的重要組成部分［2］。其在地震序列下的抗震性能對(duì)城市的防震救災(zāi)工作起到至關(guān)重要的作用，而抗震措施用以在整個(gè)地震序列作用下防止橋梁發(fā)生毀滅性的破壞。由梁擱置長(zhǎng)度、限位裝置和連梁裝置構(gòu)成的防落梁系統(tǒng)被用來防止相鄰橋聯(lián)在強(qiáng)烈地震中產(chǎn)生過大的相對(duì)位移［3］，連梁裝置作為該系統(tǒng)的最后一道防線，在防止橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生落梁時(shí)起到至關(guān)重要的作用。

本文選取具代表性的集集地震序列作為分析時(shí)的地震荷載，考慮余震對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞，分析設(shè)置連梁裝置的橋梁結(jié)構(gòu)在地震序列下的響應(yīng)，為更進(jìn)一步進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 地震序列作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

1.1 地震序列的分類與選取

按序列中最大地震與次大地震震級(jí)差ΔM，并兼顧最大地震與次大地震的時(shí)間差ΔT，將地震序列分為4類:孤立型地震、主震－余震型地震、雙震型地震、多震型地震。我國(guó)大陸的地震序列中，主－余震型的地震序列占主要地位，約占60%左右，而主－余震型地震發(fā)生強(qiáng)余震的比率隨主震的震級(jí)增大而提高，而且強(qiáng)余震的震級(jí)隨主震震級(jí)增大提高［4］。

通過收集已發(fā)生的主－余震地震序列發(fā)現(xiàn)，我國(guó)臺(tái)灣主震為7.6級(jí)的集集地震序列規(guī)模驚人，震級(jí)6.5以上的強(qiáng)烈余震在主震后7d內(nèi)便已發(fā)生4次，是全世界相當(dāng)罕見的例子［5］。整理地震臺(tái)站TCU078所收集的集集地震序列記錄，取其中具代表性的部分作為地震荷載進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算，序列中的主震時(shí)程如圖1所示。因落梁震害通常發(fā)生在順橋向，計(jì)算時(shí)采用主余震依次沿順橋向輸入的累積方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震激勵(lì)，余震在前震持時(shí)之后進(jìn)行激勵(lì)，該地震序列的參數(shù)如表1所示。

表1 集集強(qiáng)震序列時(shí)程參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.2 工程背景

采用5 m×30 m連續(xù)梁橋，主梁橫斷面如圖2所示，梁寬17 m、高1.6 m，墩高10 m，墩徑1.8 m，邊墩采用滑板支座，中墩采用板式支座，支座高度為0.053 m。主梁材料為C50混凝土，蓋梁和橋墩采用C30混凝土。主梁、蓋梁與橋墩均采用梁?jiǎn)卧M，橡膠支座模擬為彈性連接，墩底采用固結(jié)方式模擬地基，不考慮樁基作用。其有限元模型如圖3所示。

圖2 主梁橫斷面圖

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

1.3 地震序列下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震序列動(dòng)力時(shí)程分析，得到該地震序列作用下橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)結(jié)果(表2)。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表2中數(shù)據(jù)可見，地震序列作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的主梁發(fā)生了較大位移，主梁與橋墩相對(duì)位移也較大。因邊跨采用滑板支座，地震荷載主要靠中墩分擔(dān)，邊墩的墩頂位移與墩底彎矩較中墩明顯小，而邊墩的梁墩相對(duì)位移則相對(duì)較大。

結(jié)構(gòu)梁墩相對(duì)位移(亦即支座發(fā)生的位移)為0.161 1 m，本橋支座的允許剪切變形量為0.080 m(支座高度為0.053 m，板式橡膠支座的允許剪切變形量為1.5H，H為支座的橡膠總厚度)。通過比較可見，在主震作用下主梁已脫座，在地震序列激勵(lì)下會(huì)有發(fā)生落梁的危險(xiǎn)。

2 防落梁裝置的使用效果分析

因橋梁上部結(jié)構(gòu)在主震作用下發(fā)生落座，在余震序列作用下有發(fā)生落梁的危險(xiǎn)，因此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置防落梁措施。連梁裝置作為防落梁系統(tǒng)的最后一道防線，在橋梁結(jié)構(gòu)遭遇未預(yù)期地震作用、支座因變形過大而喪失支承功能后，可以避免橋梁上、下部結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)變位進(jìn)一步增大至梁的擱置長(zhǎng)度，從而防止落梁發(fā)生，以滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)原則［6］。本文采用連梁裝置于橋梁邊跨連接上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)，其有限元模型簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 連梁裝置的簡(jiǎn)化模型

2.1 連梁裝置的設(shè)計(jì)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外橋梁抗震措施的相關(guān)研究［7－8］以及規(guī)范中對(duì)連梁裝置設(shè)計(jì)方法的規(guī)定，采用日本《道路橋示方書(V耐震設(shè)計(jì)篇)·同解說》中連梁裝置的設(shè)計(jì)抗拉力等于支座反力的1.5倍(簡(jiǎn)稱1.5倍恒載反力法)設(shè)計(jì)連梁裝置［9］。

得到連梁裝置的設(shè)計(jì)承載力HF=1.5Rd=2 526.39 kN。選擇抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度σb=1 670 MPa，型號(hào)為PES(H)5－061的拉索，橋梁?jiǎn)蝹?cè)所有連梁裝置的總破斷索力Pb=4 000 kN。

2.2 采用連梁裝置后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

對(duì)設(shè)置連梁裝置的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震序列動(dòng)力時(shí)程分析，將結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)與未設(shè)置連梁裝置時(shí)相比較，如表3所示。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)連梁裝置后計(jì)算結(jié)果

由表3中計(jì)算結(jié)果可見，設(shè)置連梁裝置后，橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震序列(除余震1)作用下的主梁位移和上、下部結(jié)構(gòu)相對(duì)位移均有減小，連梁裝置的作用使支座變形減小至其允許剪切變形范圍內(nèi)，起到了防落梁效果;邊墩墩頂位移與墩底彎矩增大，邊墩與中墩墩底彎矩值較為接近，說明在連梁裝置的作用下結(jié)構(gòu)抗推剛度及整體性均有所增大，邊墩亦參與分擔(dān)地震荷載，使地震力在各墩間平均分配。在地震序列中連梁裝置均發(fā)揮其防落梁作用，能夠保證結(jié)構(gòu)安全。

在余震1作用工況下，中墩的梁墩相對(duì)位移在設(shè)置連梁裝置之后反而較不設(shè)置時(shí)大，其原因是主震引起的邊墩上、下部結(jié)構(gòu)相對(duì)位移數(shù)值大于結(jié)構(gòu)在余震1單獨(dú)激勵(lì)時(shí)所產(chǎn)生的相對(duì)位移。主震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)邊墩墩頂位移時(shí)程如圖5所示，主震時(shí)程到20 s之后邊墩墩頂產(chǎn)生了永久變位。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程響應(yīng)分析，結(jié)果顯示橋墩墩底發(fā)生了塑性破壞，墩體一側(cè)保護(hù)層混凝土破碎，如圖6所示，結(jié)構(gòu)在后續(xù)余震激勵(lì)下的變形在此殘余變形基礎(chǔ)上發(fā)生。

圖5 主震激勵(lì)下邊墩墩頂位移時(shí)程

圖6 橋墩墩底破壞程度

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用集集地震序列對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，得到橋梁可能發(fā)生落梁的情況，針對(duì)該況對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)置連梁裝置，并分析其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，得到如下結(jié)論:

(1)在地震序列作用下，橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移較大，主震作用下，橋梁支座位移超過了其允許剪切變形量，結(jié)構(gòu)在后續(xù)余震作用下有發(fā)生落梁的危險(xiǎn)。對(duì)可能發(fā)生落梁的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用防落梁措施以保證其不發(fā)生落梁震害。

(2)設(shè)置連梁裝置后，橋梁上、下部結(jié)構(gòu)相對(duì)位移有較大減小，主梁在整個(gè)地震序列中無落座危險(xiǎn)。連梁裝置的作用使結(jié)構(gòu)的整體性有所提高，使地震力在各墩間平均分配。因邊墩的負(fù)荷增加，邊墩墩底出現(xiàn)了塑性破壞，梁端采用抗震措施的橋梁應(yīng)對(duì)邊跨橋墩進(jìn)行相應(yīng)的延性設(shè)計(jì)，以便提高其抗震能力。

(3)地震序列作用下的結(jié)構(gòu)在主震時(shí)易發(fā)生損傷，余震將在前震的基礎(chǔ)上發(fā)生，當(dāng)余震的震級(jí)較大時(shí)，結(jié)構(gòu)極易發(fā)生倒塌。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析時(shí)，應(yīng)考慮到強(qiáng)余震的作用，以保證其在地震序列作用下的結(jié)構(gòu)安全。

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