陳偉， 王冠， 杜彥良， 曹昱洲， 徐瑞祥， 郭進

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043； 2. 石家莊鐵道大學 河北省大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；3. 河北省減隔震技術與裝置工程技術研究中心，河北 衡水 053000)

我國地震斷裂帶分布廣泛，高速鐵路橋梁建設會不可避免地橫跨斷層或處于斷層附近[1]，如津秦高速客運專線地處華北平原地震帶；滬昆高鐵客運專線云南路段位于歐亞地震區(qū)帶的東段側緣，屬于強震多發(fā)地帶。我國臺灣地區(qū)于1999年集集地震后修訂了相關的橋梁抗震設計規(guī)范，考慮了近斷層地震的速度脈沖效應。而國內的相關抗震設計規(guī)范尚缺少對近斷層地震動的特殊考慮[2]。因此，研究高速鐵路橋梁在近斷層地震作用下的安全性具有重要意義。

減隔震技術為橋梁抗震設計提供了新的途徑，但是不同學者對其抵御近斷層地震的有效性持不同觀點：廖文義等[3]指出減隔震支座在近斷層地震作用下會產(chǎn)生過度變形，從而可能對橋梁結構和支座裝置造成更嚴重的損壞；Michael等[4]研究了在近斷層地震動作用下，斜拉橋隔震技術的有效性；王統(tǒng)寧等[5]研究表明，橋梁在近斷層地震作用下，隔震支座的減震效果降低，近斷層地區(qū)橋梁不宜采用鉛銷橡膠支座隔震；雷濤等[6]分析了近斷層附近的橋梁震害，表明合理的支座設計，能夠有效地防止落梁發(fā)生。

基于以上研究，本文將運用理論易損性分析方法，分析我國高速鐵路普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋在不同特征的近斷層地震和遠場地震下的損傷概率，以說明近斷層地震的危害性，并指出減隔震措施對高速鐵路橋梁的地震反應控制效果。

1 模型介紹與地震波的選擇

1.1 模型介紹

本文采用的模型是某雙線高速鐵路客運專線上的一座三跨連續(xù)梁橋，連續(xù)梁橋的跨徑布置為60+100+60 m，總體布置見圖1。其中16#、17#墩高為15 m，15#、18#墩為過渡墩。為考慮相鄰簡支梁橋的影響，計算模型兩側各引入一跨簡支梁。地震波輸入方向為順橋向，不考慮豎向地震動的影響。

圖1 某高速鐵路三跨60+100+60 m連續(xù)梁橋布置Fig.1 A high-speed railway of three-span 60+100+60 m continuous beam bridge layout

模型基于SAP2000有限元軟件建立。橋梁的上部結構用彈性框架單元模擬，不考慮材料的非線性。橋墩用框架單元模擬，沒有考慮材料的隨機性，對于橋墩構件的塑性性能用塑性鉸模擬。樁土相互作用的土彈簧參數(shù)通過《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》中的“m”法確定，計算時采用等效的“六彈簧模型”，以節(jié)省計算時間。

1.2 地震記錄的選取

近幾十年來，近斷層地震時有發(fā)生，給人類造成了巨大的災難和損失[7]。相比于遠場地震，近斷層地震具有諸多特點[8]，主要包括：近斷層地震動的方向性效應、滑沖效應、速度脈沖效應、上盤效應、豎向加速度效應等，其中突出的特點是速度脈沖效應[9-10]。這種脈沖是長周期、短持時、有明顯峰值的高能量脈沖。常見的速度脈沖有2種，即破裂向前方向性效應(rupture forward directivity)速度脈沖、滑沖效應(fling step)速度脈沖。本文將重點分析這2種脈沖作用下結構的響應。

通常震源機制有多種，如傾滑斷層、走滑斷層，淺源地震和深源地震等，為排除不同震源機制的影響，本文選取臺灣集集地震記錄作為地震輸入。且Shome[11]研究表明：采用增量動力分析(incremental dynamic analysis，IDA)時，選取10～20條地震記錄即可滿足精度要求。依據(jù)近斷層地震的特點，選取滑沖效應近斷層地震記錄10條；前方向效應近斷層地震記錄10條；以及遠場地震記錄10條，見表1，斷層距(測站與斷層表面的距離)超過20 km為遠場地震。

表1 臺灣集集地震記錄Table 1 Recordings of the Chi-Chi, Taiwan earthquake

2 地震易損性分析方法

地震易損性可以采用連續(xù)的地震易損性曲線描述，其中，理論易損性曲線又因其工作量小、計算結果也較準確而被廣泛應用[12]。本文采用基于非線性時程分析方法[13]的增量動力分析(incremental dynamic analysis，IDA)方法[14]進行理論易損性分析。

2.1 易損性分析流程

2.1.1 地震強度指標和損傷量化指標

基于Mackie[15]、Padgett[16]的研究，本文以地面峰值加速度PGA作為強度指標。選取墩頂位移作為算例橋梁的損傷量化指標，并依據(jù)Hwang[17]等的研究，將算例橋梁在地震下的損傷狀態(tài)分為無損傷、輕微損傷、中等損傷、嚴重損傷、完全破壞(倒塌狀態(tài))。算例連續(xù)梁僅在16#墩順橋向布置固定支座，其余均為縱向滑動支座。因此，16#墩即為順橋向最易破壞構件，其墩底截面及彎矩-曲率曲線如圖2所示。對16#墩進行Pushover分析，最終得到墩底截面彎矩-曲率與墩頂位移的關系，具體描述見表2。

圖2 16#墩底截面及彎矩-曲率曲線Fig.2 16# pier bottom section and moment-curvature curve

表2 損傷狀態(tài)及損傷量化指標的描述Table 2 Description of damage status and damage quantitative indicators

注：D為構件墩頂位移，Dy=0.1 m為構件塑性鉸區(qū)等效屈服曲率對應的墩頂位移，D0.4 u=0.46 m為0.4倍的構件塑性鉸區(qū)極限曲率對應的墩頂位移，D0.6 u=0.66 m為0.6倍的構件塑性鉸區(qū)極限曲率對應的墩頂位移，Du=1.0 m為構件塑性鉸區(qū)極限曲率對應的墩頂位移。

2.1.2 易損性分析方法

易損性曲線可以用條件概率表示為：

(1)

式中:Pf為損傷概率；Dd為地震需求響應；Dc為橋梁結構能力；IM為地震強度指標。

結構地震需求(Dd)與地震強度指標(IM)之間關系：

(2)

式中：a、b為回歸系數(shù)。

(3)

3 高速鐵路普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋抗震對比分析

3.1 高速鐵路普通連續(xù)梁橋抗震分析

對處于不同地震下的普通連續(xù)梁橋進行基于IDA方法的地震易損性分析和抗震倒塌概率分析。

3.1.1 易損性分析

由圖3可以看出：1)峰值加速度PGA相同時，相比于遠場地震，近斷層地震下結構的損傷概率更大，即近斷層地震更具破壞性。以圖3(b)為例，PGA等于1.0g時，近斷層地震作用下結構的損傷概率等同于遠場地震1.4g時的作用效果，因此在進行抗震設計時應將近斷層地震的特點納入考慮；2)地震強度相同時，與前方向效應相比，滑沖效應損傷概率往往更大，說明滑沖效應危害性更強。

圖3 不同地震下高速鐵路普通連續(xù)梁橋易損性曲線Fig.3 Vulnerability curves of high-speed railway ordinary continuous beams under different earthquakes

3.1.2 抗震倒塌概率分析

表3中列舉了我國抗震設計規(guī)范中常用的3個抗震設防水準，多遇地震、頻遇地震和罕遇地震。但由于地震的復雜性、突發(fā)性和未知性，也會偶爾出現(xiàn)一些超過基準設防烈度的地震。如唐山大地震，其設防烈度為6度，實際最大烈度卻達到了11度，峰值加速度約為設計加速度的20倍[18]；設防烈度為7度的玉樹地震，實際最大烈度為11度[19]；2015年的尼泊爾地震，最高烈度為9度。

鑒于以上分析，本文在規(guī)范基礎上增加2個設防水準，極大地震I和極大地震II。其中極大地震I參考了文獻[20]的規(guī)定，極大地震II參考了上述列舉的近年來經(jīng)常發(fā)生的超烈度地震實際地震加速度峰值，設定為1 000 cm·s-2，如表3所示。

表3時程分析所用地震加速度時程的最大值

Table3Maximum time history of seismic acceleration used in time history analysis

cm·s-2

根據(jù)表3中的值，計算算例橋梁在設防烈度為8.5度時不同損傷狀態(tài)下的損傷概率，見表4。

表4設防烈度為8.5時不同地震下連續(xù)梁橋的中等損傷、嚴重損傷、倒塌概率

Table4Medium damage/severe damage/collapse probability of continuous beam bridges under different earthquakes with a fortification intensity of8.5

%

分析表4的計算結果，極大地震作用下，橋梁會出現(xiàn)一定程度的損傷。因此，為預防超烈度地震尤其是具有近斷層效應的超烈度地震，應考慮近斷層地震的特點；對于特別重大的工程，甚至應適當考慮提高相應的抗震設防水準。

3.2 高速鐵路減隔震連續(xù)梁橋抗震分析

3.2.1 新型限位型減隔震支座

相關研究表明防落梁裝置和減隔震技術應用廣泛，但傳統(tǒng)抗震策略一般都是將減隔震技術與防落梁裝置分開來談，使得裝置的設計較為復雜，經(jīng)濟適用性差。針對這一問題,郭進等[21-22]從一些常規(guī)的減隔震裝置中獲得啟發(fā)，研發(fā)了一種高阻尼橡膠拉壓耗能型易修復減隔震支座。圖4所示為新型支座構造圖，新型支座基于盆式支座，將減隔震與限位功能集于一體，具體見文獻[22]。

由于支座制作存在誤差，支座的初始拉、壓間隙值可能稍有差別，為方便計算，設定支座拉、壓間隙值相等，并將非線性的橡膠塊剛度簡化為線性。圖5為支座各單元的骨架曲線及整體力學模型，其中限位單元的剛度k3遠遠大于橡膠塊的剛度k2。

模擬新型支座，用雙線性塑性連接單元里的隨動硬化模型(Kinematic)模擬摩擦滯回關系；用多段線彈性連接單元模擬間隙和橡膠塊單元、限位單元。多段線彈性連接單元沿著相同的路徑加卸載，這一過程沒有能量的耗散。

3.2.2 易損性分析

同普通連續(xù)梁橋分析方法一致，分析上述新型支座高速鐵路連續(xù)梁橋。由圖6可以看出，在近斷層地震或遠場地震作用下，同一損傷狀態(tài)的減隔震連續(xù)梁橋易損性曲線趨于接近或重合，表明新型支座對近斷層地震的減隔震效果顯著。

注：1.支座主體，2.上支座板，3.原支座底盆，4.外加支座底盆，5.聚四氟乙烯板，6.不銹鋼板，7.高阻尼橡膠塊，8.外連接鋼板，9.內連接鋼板，10.鋼連桿，11.連桿限位件，12.連接螺栓，13.限位螺栓，14.限位擋塊。圖4 新型支座構造圖Fig.4 Structural diagram of new spacing support

圖5 支座各單元及整體的力學模型Fig.5 Mechanical model of different elements and supports

圖6 不同地震下高速鐵路減隔震連續(xù)梁橋易損性曲線Fig.6 Vulnerability curves of high-speed railway of seismic-isolation continuous beams under different earthquakes

3.3 高鐵普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋對比分析

為評估新型支座的抗震性能，列出具有滑沖效應的近場地震作用下，高速鐵路普通連續(xù)梁橋和減隔震連續(xù)梁橋的易損性曲線，如圖7所示。比較上述結構的易損性曲線，可以發(fā)現(xiàn)，與普通連續(xù)梁橋相比，滑沖效應地震作用下，減隔震連續(xù)梁橋的地震響應明顯減弱。實際上，在前方向性效應近場地震和遠場地震作用下，具有相似的結論，限于篇幅，此處沒有列出。

圖7 滑沖效應下高速鐵路連續(xù)梁橋易損性曲線Fig.7 Vulnerability curves of high-speed railway continuous beams under fling step

表5為設防烈度8.5時，滑沖效應下不同地震影響對應的高速鐵路普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋的損傷概率。分析可知，隨著地震影響強度的增加，同一損傷狀態(tài)下，減隔震橋梁與非隔震橋梁的損傷概率差值越大，說明新支座能夠有效地減少結構的地震響應，具有良好的減隔震功能。

表5設防烈度8.5時滑沖效應下普通連續(xù)梁橋與減隔震連續(xù)梁橋的中等損傷、嚴重損傷、倒塌概率

Table5Medium damage/severe damage/collapse probability of continuous beam bridges and seismic-isolation continuous beam bridges under fling step with a fortification intensity of8.5

%

4 結論

1)同一地震強度下，近斷層地震比遠場地震更具破壞性，特別是滑沖效應的近斷層地震危害性更強，即在進行抗震設計時應將近斷層地震的特點納入考慮；超烈度地震下，高速鐵路橋梁會出現(xiàn)一定程度的損傷，為預防超烈度地震尤其是具有近斷層效應的超烈度地震，對于特別重大的工程，在進行抗震設防時，應適當考慮近斷層地震的特點，甚至提高抗震設防水準。

2)同一地震強度下，相比于普通高速鐵路橋梁，采用新型支座的減隔震橋梁的損傷概率更小，說明新型支座能夠有效地減少結構的地震響應；同一損傷狀態(tài)下，減隔震連續(xù)梁橋易損性曲線基本接近重合，說明新型支座對近斷層地震的作用效果顯著。

采用減隔震系統(tǒng)后，地震作用下的位移反應將相應增大，這對于線路軌道結構及其通行性的影響還需進一步研究。