陳寶魁，盧宏飛，宋固全，田欽，范力

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

隨著世界范圍內(nèi)跨海橋梁的快速建設(shè)，其抗震性能與地震安全已被廣泛關(guān)注。黃佳棟等[1]針對(duì)不同隔震措施下跨海連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了模擬分析。李建中等[2]討論了采用雙線性隔震裝置連續(xù)梁橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。杜修力等[3]從理論分析與試驗(yàn)方面研究了多維地震作用下隔震橋梁地震反應(yīng)。但由于海底強(qiáng)震記錄有限等條件的影響，目前跨海橋梁的抗震分析中一般仍使用陸地強(qiáng)震記錄。然而，近年來海底地震動(dòng)特性的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，海底與陸地地震動(dòng)特性差別較大，如Boore等[4]通過美國海底地震觀測系統(tǒng)(seafloor earthquake measuring system，簡稱SEMS)所記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于陸地地震動(dòng)，海底地震動(dòng)的豎向分量在短周期范圍內(nèi)明顯更低。陳寶魁等[5-6]通過對(duì)日本K-net臺(tái)網(wǎng)與美國SEMS臺(tái)網(wǎng)中海底與陸地地震動(dòng)特性的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)海底地震動(dòng)的豎向與水平峰值加速度更小，豎向成分在短周期范圍內(nèi)更低，并且海底地震動(dòng)水平反應(yīng)譜的長周期成分更豐富等特點(diǎn)。呂悅軍等[7]以渤海 PL19-3油田工程場地為研究對(duì)象進(jìn)行場地類別研究，通過地震動(dòng)效應(yīng)分析，海底軟弱土場地對(duì)地震動(dòng)加速度的幅值和頻譜的影響非常明顯。李超等[8]基于流體動(dòng)力學(xué)方程和一維波動(dòng)理論，提出了一種由基巖、多孔土層和海水層組成的海底場地解析方法，并同樣發(fā)現(xiàn)海底與陸地地震動(dòng)存在較明顯的差異。李天男等[9]基于中國南海島礁場地鉆孔資料和日本房總半島沿海地區(qū)海底強(qiáng)震記錄，通過土層地震反應(yīng)分析結(jié)果討論了地震動(dòng)特征、場地條件對(duì)地震反應(yīng)的影響，初步探索了特殊海洋工程場地對(duì)地震動(dòng)特性的影響。Fan等[10]利用空間變化的地面運(yùn)動(dòng)模擬理論，分析了海水層對(duì)海底地面運(yùn)動(dòng)的影響以及不同條件下海底模擬地震動(dòng)的時(shí)空變化過程。Lin等[11]通過對(duì)短周期海底地震儀記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行水平與豎向反應(yīng)譜比譜(H/V)的評(píng)估，研究了淺海沉積物對(duì)局部場地的影響。陳蘇等[12]基于美國加州及日本強(qiáng)震記錄，發(fā)現(xiàn)近海場地強(qiáng)震記錄含有大量長周期成分，且能量主要集中在長周期內(nèi)，其動(dòng)力放大系數(shù)β值遠(yuǎn)超過目前抗震設(shè)計(jì)規(guī)范值。綜上可以確定海底與陸地地震動(dòng)特性差別較大，特別是水平向地震動(dòng)的長周期成分更高，可能造成橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)更高。因此，海底地震動(dòng)對(duì)橋梁地震反應(yīng)影響研究亟待補(bǔ)充。

隔震梁橋是在橋梁結(jié)構(gòu)上部和下部結(jié)構(gòu)間引入隔震裝置(支座)，從而改變地震時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，延長結(jié)構(gòu)的周期以避開地震卓越周期，降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。考慮到連續(xù)梁橋具有構(gòu)造簡單、整體性好、超載能力大等優(yōu)點(diǎn)，跨海隔震梁橋被廣泛應(yīng)用于跨海橋梁的引橋段工程。目前，在橋梁地震反應(yīng)分析中，一般采用一致輸入地震激勵(lì)的方法，即對(duì)基礎(chǔ)底部輸入一致的加速度時(shí)程或反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算。因此，本研究主要以跨海隔震梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過比較海底與陸地地震作用下橋梁的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，確定海底地震動(dòng)對(duì)跨海隔震梁橋的影響。

1 跨海隔震連續(xù)梁橋計(jì)算模型

1.1 工程概況

本研究以港珠澳大橋?yàn)楣こ瘫尘埃x其引橋段11跨隔震連續(xù)梁橋作為研究對(duì)象。該橋段全長13.89 km，為深水區(qū)非通航孔連續(xù)梁橋。其中主梁采用了單墩整幅梁，按等跨110 m布置。凈空高度20 m，寬度85 m。主梁按六孔一聯(lián)布設(shè)，模型中7號(hào)橋墩為兩聯(lián)主梁的交接墩，兩側(cè)梁端的初始間距為90 cm。橋梁設(shè)計(jì)使用壽命為120年，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以重現(xiàn)期表征，工作狀態(tài)(E1)為120年，非通航孔橋極限狀態(tài)(E2)為600年，結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài)(E3)為2 400年。該橋主梁寬度為33.1 m，高度為4.5 m，為單箱雙室整幅等梁高鋼箱梁，箱梁采用整孔安裝，其頂板挑臂長度為5.5 m，且最小板厚為18 mm，單跨梁吊裝重量可至2 270 t。樁基礎(chǔ)采用混凝土灌注樁，直徑為180 cm。承臺(tái)采用預(yù)制承臺(tái)，尺寸規(guī)格為10.6 m×15.6 m×5.0 m。為了使得該橋的阻水比例控制不超過10%，承臺(tái)全部埋入海床面以下。橋墩為預(yù)制空心墩，截面為3.5 m×10.0 m和4.0 m×10.0 m 2種，前者實(shí)際應(yīng)用于墩高度小于或等于26 m的橋墩，后者則應(yīng)用于墩高度大于26 m的橋墩，承臺(tái)和橋墩自身總質(zhì)量可達(dá)到2 600 t。橋面設(shè)置2.5%的橫坡排水。支座采用高阻尼鉛芯橡膠支座[13-15]。

1.2 模型參數(shù)

利用橋梁通用分析軟件Midas建立三維隔震連續(xù)梁橋模型。其中主坐標(biāo)軸X軸設(shè)為縱橋向，Y軸為橫橋向，Z軸為豎向坐標(biāo)。模型共11跨，主梁與橋墩編號(hào)如圖1所示。

模型由7部分組成，分別是箱梁、支座、蓋梁、橋墩、承臺(tái)、混合樁、樁基礎(chǔ)。除支座外所有構(gòu)件均采用梁單元，支座采用鉛芯橡膠支座隔震裝置。各材料參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)件材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of components

模擬中，鉛芯橡膠支座簡化為雙線性恢復(fù)力力學(xué)模型，如圖2所示。

其中F為支座所受水平方向的力；Qy為支座水平方向屈服力；Uy為支座水平屈服位移；UBe為支座水平方向位移；K1為支座初始剛度；K2為支座屈服后剛度；KB為支座等效剛度。該橋中墩鉛芯橡膠支座的豎向有效剛度為3 937 000 kN·m-1，水平向有效剛度8 800 kN·m-1；(屈服前)彈性剛度為39 900 kN·m-1；屈服后剛度為6 100 kN·m-1；屈服強(qiáng)度為802 kN。通過軟件自帶鉛芯橡膠隔震裝置單元及其非線性計(jì)算功能，分析隔震支座的地震響應(yīng)與滯回曲線。

2 輸入地震動(dòng)

研究使用的強(qiáng)震記錄選自日本K-NET強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)中6個(gè)海底臺(tái)站，以及與其相鄰的5個(gè)陸地臺(tái)站。所選海底與陸地臺(tái)站信息詳見表2與表3。為了使所選海底與陸地強(qiáng)震記錄具有可比性，陸地臺(tái)站的選擇標(biāo)準(zhǔn)如下：第一，應(yīng)臨近6個(gè)海底臺(tái)站，以保證1次地震中所選海底與陸地強(qiáng)震記錄的震源條件相同，震中距相近。第二，選擇中硬土場地條件(平均剪切波速為180～360 m·s-1)陸地臺(tái)站與海底評(píng)估的場地條件近似。相關(guān)文獻(xiàn)顯示K-NET臺(tái)網(wǎng)中6個(gè)位于相模灣的海底臺(tái)站所在場地主要為較小尺寸的卵石和細(xì)沙，視為中硬土場地[16]。第三，在選波地震事件中陸地臺(tái)站采集到有效的強(qiáng)震記錄，水平分量強(qiáng)震記錄PGA盡可能大于30 gal，豎向分量PGA大于10 gal。

表2 海底臺(tái)站信息Tab.2 Information of offshore stations

表3 陸地臺(tái)站信息Tab.3 Information of onshore stations

研究共選取4次地震中7組海底與陸地強(qiáng)震記錄，其中在2006-05-02地震中選取了4組海底與陸地記錄。4次地震事件的詳細(xì)信息見表4。

表4 選取的地震事件信息Tab.4 Selected seismic event information

該橋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài)為2 400年，即基準(zhǔn)期120年超越概率5%，水平向地表地震動(dòng)峰值加速度(PGA)為235 gal。所選地震動(dòng)亦按照此標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅將水平向PGA較大的一條地震波調(diào)幅至235 gal，并作為縱橋向輸入，另一條水平向地震波與豎向地震波使用等比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)幅。所選7組海底與陸地強(qiáng)震記錄信息詳見表5。

表5 選取地震動(dòng)分組信息Tab.5 Selected ground motion grouping information

限于篇幅，圖3僅列出4組不同地震中海底與陸地地震動(dòng)的三向放大系數(shù)譜，反應(yīng)譜的計(jì)算周期為0.04～4 s，阻尼比為5%?？梢园l(fā)現(xiàn)各次地震中海底與陸地反應(yīng)譜的峰值相差不大，但海底地震動(dòng)的特征周期一般大于陸地地震動(dòng)?？紤]本文主要關(guān)注橋梁水平向的地震反應(yīng)，為直觀比較海底與陸地地震動(dòng)水平分量長周期的特性，圖4列出7組海底與陸地地震動(dòng)水平向平均放大系數(shù)譜。如圖所示海底地震動(dòng)特征周期更大，長周期成分更豐富。這種譜特性與陸地的軟土場地類似，可能導(dǎo)致基本周期較大的橋梁結(jié)構(gòu)在水平向具有更大的地震反應(yīng)。

3 橋梁地震反應(yīng)

3.1 模態(tài)分析

利用多重Ritz向量法計(jì)算模型的的自振特性。分別計(jì)算了橋梁3個(gè)方向的模態(tài)，共計(jì)算60階振型。限于篇幅，表6僅列出縱橋向前5階自振頻率?？v橋向質(zhì)量參與系數(shù)在第54階陣型達(dá)到90%以上。滿足規(guī)范要求。

3.2 橋墩反應(yīng)

研究重點(diǎn)關(guān)注縱橋向的地震反應(yīng)。為了消除橋梁邊跨影響，主要提取中間9跨連續(xù)梁橋的地震反應(yīng)，并對(duì)結(jié)構(gòu)重要部位的受力與位移進(jìn)行對(duì)比分析。

表6 跨海連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)自振特性Tab.6 Natural vibration characteristic of sea-crossing bridge

3.2.1 墩頂位移

表7列出了各橋墩墩頂縱橋向位移最大值，該處所用位移為相對(duì)位移，即節(jié)點(diǎn)所在位置相對(duì)于該橋墩墩底節(jié)點(diǎn)的位移。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，除了第2組結(jié)果中部分陸地地震作用下的墩頂位移大于海底地震作用情況，其余6組計(jì)算結(jié)果均表現(xiàn)為海底地震作用引起的墩頂位移更高。海底地震動(dòng)引起的墩頂縱橋向最大位移普遍為陸地地震動(dòng)作用下的2～4倍，最大墩頂位移差可達(dá)到0.159 m。

表7 墩頂縱橋向相對(duì)位移最大值統(tǒng)計(jì)Tab.7 Tatistics of maximum displacement of pier top longitudinal bridge

由于各橋墩墩頂處縱橋向位移變化在不同組的模擬中情況類似，且考慮篇幅有限，僅以地震反應(yīng)較大的2號(hào)橋墩為例，列出4組不同地震中墩頂縱橋向位移時(shí)程曲線，如圖5所示。

3.2.2 墩底內(nèi)力

分析各組地震中各墩底內(nèi)力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3、4、11號(hào)橋墩所在位置墩底的剪力和彎矩較高，故列出這3個(gè)橋墩的墩底剪力和彎矩最大值對(duì)比圖，如圖6和圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，除第2組外，海底地震作用下的墩底剪力更大，比陸地地震作用下墩底剪力高1.5～5倍。同樣，海底地震作用下的墩底彎矩值更高。

3.3 主梁反應(yīng)

在以往跨海橋梁的震害中發(fā)現(xiàn)，由于主梁位移過大造成相鄰主梁發(fā)生碰撞。導(dǎo)致落梁的案例較多，所以本文著重關(guān)注墩頂相鄰兩跨主梁梁端的相對(duì)位移。

考慮篇幅原因，圖8列出4組不同地震中海底與陸地地震反應(yīng)分析中7號(hào)橋墩上部相鄰主梁的相對(duì)位移時(shí)程曲線，可以發(fā)現(xiàn)，海底地震作用下的主梁的相對(duì)位移比陸地地震反應(yīng)要更為劇烈，可以達(dá)到陸地地震作用下反應(yīng)的數(shù)倍。雖然在海底地震作用下梁端的相對(duì)位移尚未發(fā)生相鄰兩跨主梁的碰撞或超過支座的設(shè)計(jì)范圍，但海底地震作用下的增幅已無法忽視。另外，其他幾次地震中的結(jié)構(gòu)反應(yīng)表現(xiàn)出了相同的特點(diǎn)。

3.4 支座耗能分析

以2號(hào)-11號(hào)橋墩同位置鉛芯橡膠支座為研究對(duì)象，表8列出各支座縱橋向最大剪力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾乎所有海底地震作用下的支座處縱橋向剪力更大，最大可達(dá)到陸地地震作用下支座剪力的6倍，最大值可達(dá)4 726 kN。

表8 各支座處縱橋向剪力最大值信息匯總Tab.8 Information of maximum shear force in longitudinal bridge at bearing position

支座的滯回耗能曲線是反應(yīng)支座在反復(fù)受力過程中的能量耗散和變形特性，是支座反應(yīng)的重要表現(xiàn)。仍以2號(hào)橋墩的支座為例。圖9同樣僅列出了4組不同地震作用下支座的滯回耗能曲線。如圖所示，支座在海底地震作用下無論是阻尼力還是產(chǎn)生的位移均大于陸地地震作用下的值，大部分地震中海底地震作用下支座的阻尼力都達(dá)到了陸地地震作用下的2倍以上，可見支座在海底地震作用下消耗的能量較多，產(chǎn)生的變形也較大。值得注意的是在海底地震作用下，某些支座位移大幅度提高，有損壞的危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

海底地震動(dòng)作用下，墩頂位移、加速度，以及墩底的彎矩與剪力普遍更大，相鄰主梁的相對(duì)位移顯著提高，存在主梁碰撞風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果可能與海底地震動(dòng)水平向反應(yīng)譜的特征周期與長周期成分更大有關(guān)。

此外，海底地震作用下，橋梁隔震支座的剪力明顯增大，甚至可達(dá)到陸地地震作用下的5倍以上，已接近支座極限承載力設(shè)計(jì)值，存在支座損壞風(fēng)險(xiǎn)。

因此，海底地震動(dòng)對(duì)跨海隔震橋梁的影響不可忽視，抗震設(shè)計(jì)中僅使用陸地強(qiáng)震記錄將使分析結(jié)果偏于危險(xiǎn)。建議在跨海橋梁的抗震分析中應(yīng)輸入部分海底強(qiáng)震記錄或具有海底地震動(dòng)特性的人造地震波。