岳偉勤,師新虎,張來福,蘇小波,賈宏宇

(1.中鐵長江交通設(shè)計集團(tuán)有限公司,重慶 401121;2.四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司,成都 610041;3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610031)

0 引言

我國是一個地震多發(fā)國家,嚴(yán)重的地震災(zāi)害對國家經(jīng)濟(jì)和人民生命安全造成了巨大威脅[1]。而且,我國的地震斷裂帶眾多且十分活躍,考慮到修建成本、工程進(jìn)度和地形地貌等條件的影響和約束,某些橋梁結(jié)構(gòu)會不可避免的出現(xiàn)靠近斷層的情況,受到近斷層地震動的影響顯著[2]。橋梁在近斷層地震作用下往往會因搭接長度設(shè)置不足而發(fā)生落梁破壞。阪神地震中,西宮港大橋因梁體與橋墩間的縱向相對位移過大,預(yù)留的搭接長度太小,導(dǎo)致第1跨引橋出現(xiàn)落梁[3]。洛馬·普里埃塔地震中,舊金山-奧克蘭海灣大橋的引橋由于墩梁間相對位移較大,設(shè)置搭接長度不足而發(fā)生落梁破壞[4]。唐山地震中,灤河大橋由于地震作用下的墩梁相對位移過大,且橋墩出現(xiàn)劇烈損傷而發(fā)生連續(xù)垮塌[5]。汶川地震中,岷江大橋引橋由于墩臺設(shè)置的搭接長度無法滿足地震引起的梁體縱向位移,從而發(fā)生落梁破壞[6]。壽江大橋梁體與橋墩間也出現(xiàn)了較大的縱向相對位移,第1跨梁體右端到達(dá)蓋梁邊緣,接近落梁[7]。百花大橋的橋面板和橋墩也發(fā)生嚴(yán)重垮塌,已經(jīng)無法恢復(fù)使用[8]。

橋梁落梁屬于比較嚴(yán)重的橋梁震害,而搭接長度又與落梁破壞息息相關(guān),因此,學(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)研究。HAO[9]基于隨機振動理論,研究了橋梁跨徑和地面運動參數(shù)對搭接長度的影響,發(fā)現(xiàn)地震動強度、場地條件和阻尼比均是影響搭接長度的主要因素,提高阻尼比可以減少橋梁所需的搭接長度;孔藝達(dá)[10]基于均勻設(shè)計的試驗方法,考慮跨徑、墩高和斜交角對搭接長度的影響,提出了連續(xù)梁橋搭接長度的計算方法;WU[11]研究了地震作用下斜交橋的脫座落梁機理,提出了斜交橋支座長度計算和搭接長度計算的簡化方法;PRIESTLEY等[12]單獨計算了簡支梁橋每一跨的最大縱向位移,并將相鄰跨最大縱向位移的差值取絕對值作為搭接長度;DESROCHES等[13]基于CQC規(guī)則,通過對兩橋聯(lián)間鉸鏈的相對位移進(jìn)行研究,提出了一種計算搭接長度的方法。盡管學(xué)者對搭接長度的計算公式和影響因素進(jìn)行了研究,但將地震動強度指標(biāo)作為研究對象來分析橋梁搭接長度需求的較少,而近斷層地震動具有能量高、周期長以及脈沖幅值大的特點,其在較短的時間內(nèi)會將很大一部分能量輸入到結(jié)構(gòu)中,使得結(jié)構(gòu)在極短時間內(nèi)受到較高的能量沖擊,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震中產(chǎn)生較大變形,從而發(fā)生更加嚴(yán)重的地震災(zāi)害。因此,開展近斷層地震作用下橋梁的抗震性能研究對實際工程的抗震設(shè)防具有重要意義。

綜上所述,本文以某簡支梁橋為研究對象,基于ANSYS平臺建立該橋的彈塑性分析模型。通過動力響應(yīng)分析、彈塑性分析和抗剪能力分析,研究近場地震作用下簡支梁橋的搭接長度需求,為完善橋梁抗震設(shè)計規(guī)范中搭接長度的計算提供理論參考。

1 理論簡介

1.1 規(guī)范搭接長度計算

搭接長度(圖1)是指橋梁上部結(jié)構(gòu)梁端到橋墩或蓋梁邊緣的距離?！豆窐蛄嚎拐鹪O(shè)計規(guī)范》(JTG/T 2231-01—2022)[14]提出的搭接長度計算公式如式(1)。

圖1 搭接長度Fig. 1 The supported length

a=50+0.1L+0.8H+0.5Lk

(1)

式中：a為搭接長度(cm);L為梁的計算跨徑(m);H為墩高(m);Lk為單孔跨徑(m)。

1.2 抗剪強度計算

為了確保鋼筋混凝土墩柱不發(fā)生剪切破壞,需要對墩柱進(jìn)行抗剪強度驗算。橋墩塑性鉸區(qū)的抗剪強度應(yīng)按下列公式驗算[14]：

Vc0≤φ(Vc+Vs)

(2)

Vc=0.1vcAe

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Vc為塑性鉸區(qū)混凝土的抗剪能力(kN);Vs為橫向鋼筋的抗剪能力(kN);φ抗剪強度折減系數(shù),取值0.85;vc為塑性鉸區(qū)混凝土的抗剪強度(MPa);Ae為核心混凝土面積(cm2),按Ae=0.8Ag計算;fcd為混凝土抗壓強度設(shè)計值(MPa);Ag為塑性鉸區(qū)截面的全面積(cm2);Pc為墩柱截面最小軸力(kN);μΔ為橋墩構(gòu)件位移延性系數(shù),近似取6.0;Asp為螺旋箍筋面積(cm2);Av為箍筋面積總和(cm2);s為箍筋的間距(cm);fyh為箍筋抗拉強度設(shè)計值(MPa);D′為螺旋箍筋環(huán)的直徑(cm);h0為核心混凝土受壓邊緣至受拉側(cè)鋼筋重心的距離(cm);Vc0為剪力設(shè)計值(kN),按式(8)計算。

(8)

式中：Mn為墩底塑性鉸區(qū)截面彎矩(kN·m);Hn為墩頂?shù)蕉盏姿苄糟q中心距離(m)。

2 工程數(shù)值算例

2.1 橋梁簡介

注：本圖尺寸均以厘米計1)。#1、#2和#3號墩采用柱式墩,且為雙柱墩,墩臺采用樁基礎(chǔ)2)。橋墩采用GJZ350×350×80型板式橡膠支座,支座和塑性鉸用COMBIN40模擬3)。4.橋臺和橋墩采用D80伸縮縫4)。圖2 簡支梁橋全橋布局Fig. 2 Layout of simply supported beam bridge

以某簡支直線梁橋為研究對象[15],該橋上部結(jié)構(gòu)為10.5 m的混凝土T型梁,混凝土強度等級為C50,下部結(jié)構(gòu)為直徑1.8 m的圓形截面雙柱墩,混凝土強度等級為C35,橋墩縱向鋼筋為HRB400鋼筋,箍筋為HPB300螺旋箍筋,縱筋和箍筋的直徑分別為28 mm和12 mm。支座為GJZ350×350×80型板式橡膠支座,橋臺和橋墩采用D80伸縮縫。通過ANSYS平臺建立簡支梁橋的三維有限元模型,梁體與橋墩采用BEAM44單元模擬,支座和墩底塑性鉸使用COMBIN40單元模擬,由于不考慮梁端與橋臺的碰撞,故不模擬橋臺,并且假設(shè)支座在地震作用下處于彈性狀態(tài),不研究支座在地震作用下的屈服情況。簡支梁橋的全橋布局如圖2所示,有限元模型如圖3所示。

圖3 簡支梁橋有限元模型Fig. 3 Finite element model of simply supported beam bridge

2.2 近場地震動特征

近斷層地震又稱為近場地震,研究人員一般把震源20 km以內(nèi)的區(qū)域定義為近斷層區(qū)域。通過對強震中的結(jié)構(gòu)震害、近斷層地震動的頻譜特性、地震動強度指標(biāo)等進(jìn)行分析,學(xué)者發(fā)現(xiàn)近斷層地震動與遠(yuǎn)場地震動存在比較明顯的差異,主要表現(xiàn)為近斷層地震動具有顯著的脈沖效應(yīng)和上盤效應(yīng)[16]。

1933年,研究人員從美國長灘地震中獲得了第一條強震記錄,該條地震記錄引起了國內(nèi)外學(xué)者的注意[17],此后,越來越多的學(xué)者也對近斷層地震動的特征及其頻譜關(guān)系進(jìn)行了研究。HOUSNER等[18]首次發(fā)現(xiàn)了近斷層地震動具有脈沖效應(yīng),并預(yù)測近斷層地震動的脈沖效應(yīng)會放大結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng);JANGID等[19]對近場地震下的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,研究表明脈沖型地震動的高頻成分包含巨大能量,并且會放大結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng);KALKAN等[20]研究了近斷層地震動的脈沖效應(yīng)對鋼框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)近斷層地震下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最大需求和峰值離散度明顯高于遠(yuǎn)場地震,且近斷層地震動的脈沖效應(yīng)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在較短時間內(nèi)承受相當(dāng)大的地震輸入能量;BROWN等[21]分析了近斷層地震動的脈沖效應(yīng)對橋梁墩柱的影響,并通過振動臺試驗評估了墩柱的應(yīng)力、應(yīng)變、曲率和視覺損傷;王偉軍等[22]研究了近斷層地震作用下曲線橋梁的地震響應(yīng)和碰撞效應(yīng),發(fā)現(xiàn)近斷層地震動的脈沖效應(yīng)和上盤效應(yīng)會顯著增大曲線橋的地震響應(yīng)和碰撞力;CHEN等[23]研究了近斷層地震動的多脈沖特性,對比了脈沖個數(shù)、脈沖周期和脈沖幅值與地震參數(shù)間的統(tǒng)計關(guān)系,分析了脈沖數(shù)量、脈沖幅值和脈沖周期對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

脈沖效應(yīng)是近斷層地震動的一個顯著特征,其會放大結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震中出現(xiàn)更為嚴(yán)重的破壞。根據(jù)不同脈沖特征,研究人員將近斷層地震動的脈沖效應(yīng)分為了破裂前方效應(yīng)和滑沖效應(yīng)[24]。

破裂前方效應(yīng)(圖4)是產(chǎn)生脈沖型地震動的一個主要原因,因為破裂前方效應(yīng)可以使地震能量在較短時間內(nèi)積累,在時程曲線上表現(xiàn)為峰值大、脈沖波形明顯和振動持續(xù)時間短,所以結(jié)構(gòu)在具有破裂前方效應(yīng)的地震作用下將發(fā)生嚴(yán)重破壞[25]。

圖4 破裂前方效應(yīng)Fig. 4 Fracture front effect

滑沖效應(yīng)是產(chǎn)生脈沖型地震動的又一個主要原因,滑沖效應(yīng)由破裂斷層兩側(cè)發(fā)生相對錯動引起的,其速度時程呈單向脈沖,位移時程在振動結(jié)束后存在永久位移[26]。斷層地震動的滑沖效應(yīng)主要對跨越斷層的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞,結(jié)構(gòu)跨越斷層時,滑沖效應(yīng)將導(dǎo)致地面出現(xiàn)較大的永久位移,從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉扯破壞。

破裂前方效應(yīng)和滑沖效應(yīng)在近斷層地震中往往是同時存在的。對于傾滑斷層(圖5),破裂前方效應(yīng)和滑沖效應(yīng)在斷層破裂面的法向方向發(fā)生,而對于走滑斷層,破裂前方效應(yīng)在斷層破裂面法向方向發(fā)生,滑沖效應(yīng)發(fā)生在斷層破裂面方向[27]。研究人員對比了脈沖型地震動和無脈沖地震動的加速度反應(yīng)譜,發(fā)現(xiàn)脈沖型地震動中的脈沖成份顯著增加了加速度反應(yīng)譜的敏感區(qū),從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)被放大[28]。

圖5 斷層類型及特征Fig. 5 Fault type and characteristics

2.3 近場地震動選取

通過近斷層地震動中常用的5種地震動強度指標(biāo)選取實測地震波,強度指標(biāo)分別為：斷層距Rrup、峰值加速度PGA、峰值速度PGV、峰值位移PGD和脈沖參數(shù)PGV/PGA。通過斷層距來區(qū)分近場地震動和遠(yuǎn)場地震動,選取地震動時假設(shè)斷層距小于20 km為近斷層地震動。通過脈沖參數(shù)PGV/PGA來判斷地震動是否具有脈沖特征,學(xué)者對脈沖型地震動進(jìn)行分析得出,脈沖參數(shù)越大,地震動出現(xiàn)脈沖效應(yīng)的可能性越高,通常假設(shè)當(dāng)脈沖參數(shù)PGV/PGA>0.2時,即認(rèn)為地震動有脈沖效應(yīng)[29]。

將目標(biāo)反應(yīng)譜導(dǎo)入PEER地震數(shù)據(jù)庫中選取集集地震中的12條地震記錄,同時,為了研究近場地震動的脈沖效應(yīng)對橋梁地震響應(yīng)以及對簡支梁橋搭接長度需求的影響,將選取的12條近場地震動分為6條脈沖型地震動(PGV/PGA>0.2)和6條非脈沖型地震動(PGV/PGA<0.2)。表1列舉了兩類地震動的地震特性。兩類地震動的加速度時程曲線如圖6所示,圖7為近場地震動的速度譜。

表1 近斷層地震動記錄Table 1 Near fault ground motion records

圖6 近場地震動加速度時程曲線Fig. 6 Time history curve of near site vibration acceleration

圖7 近場地震動速度譜Fig. 7 Near site vibration velocity spectrum

3 結(jié)果分析

3.1 自振特性分析

結(jié)構(gòu)的自振特性是指結(jié)構(gòu)的頻率或周期所對應(yīng)的振型,其主要受結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布以及邊界支撐條件的影響,通過子空間迭代法對簡支梁橋進(jìn)行自振特性分析。該簡支梁橋前6階模態(tài)的頻率及振型見表2。

表2 簡支梁橋前6階自振頻率及振型Table 2 First 6 natural frequencies and modes of simply supported beam bridge

3.2 動力響應(yīng)分析

將表1中脈沖型地震動和非脈沖型地震動的PGA分別調(diào)幅到0.1～1.0g后作為輸入地震動。由于主要分析PGA對簡支梁橋的搭接長度影響,且橫向地震動對縱向墩梁相對位移影響較小,所以只進(jìn)行縱向的地震動輸入,不考慮橫向和豎向地震動。脈沖型地震和非脈沖型地震作用下簡支梁橋的墩梁相對位移分別如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可知：簡支梁橋的墩梁相對位移隨著PGA的增加而增大,但脈沖型地震作用下的墩梁相對位移增加速度比非脈沖型地震作用時快,這是由于近斷層地震動的脈沖效應(yīng)顯著放大了地震動的反應(yīng)譜值,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也被放大。當(dāng)脈沖型地震動的PGA=1.0 g時,Δ1、Δ2、Δ5和Δ6處的墩梁相對位移接近或超過規(guī)范計算值,其中最大值為115.1 cm,理論上梁體會發(fā)生落梁破壞。Δ3和Δ4處的墩梁相對位移相對較小,最大值為34.2 cm。當(dāng)非脈沖型地震動的PGA=1.0 g時,Δ1、Δ2、Δ5和Δ6處的墩梁相對位移最大值為41.5 cm,Δ3和Δ4處的墩梁相對位移最大值為18.7 cm,遠(yuǎn)小于規(guī)范計算的搭接長度。

圖8 脈沖型地震作用下墩梁相對位移Fig. 8 Relative displacement of pier beam under pulse earthquake

圖9 非脈沖型地震作用下墩梁相對位移Fig. 9 Relative displacement of pier beam under non-pulse earthquake

3.3 抗剪能力分析

通過公式(2)～(8)可計算出橋墩塑性鉸區(qū)的剪切強度為1 953.7 kN,剪力設(shè)計值為481.6 kN,塑性鉸區(qū)的剪力設(shè)計值小于剪切強度,說明該簡支梁橋的橋墩滿足設(shè)計剪力下的抗剪強度驗算。近斷層地震動的脈沖效應(yīng)會顯著增大結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),因此,對近斷層地震作用下橋墩的塑性鉸區(qū)進(jìn)行抗剪能力分析是十分有必要的。圖10為近場地震作用下PGA為0.1～1.0 g的塑性鉸區(qū)最大平均剪力。

圖10 近場地震下塑性鉸區(qū)最大剪力Fig. 10 Maximum shear force in plastic hinge area under near-field earthquake

由圖10可知：脈沖型地震作用下塑性鉸區(qū)的剪力大于非脈沖型地震作用時的剪力,這符合脈沖效應(yīng)會增大結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的結(jié)論。塑性鉸區(qū)剪力隨著PGA的增加逐漸增大,2號墩塑性鉸區(qū)的剪力略大于1號墩和3號墩,且1和3號墩的剪力比較接近。表3為近場地震作用下塑性鉸區(qū)的抗剪強度驗算,由于篇幅限制,下表僅列出PGA=1.0 g時塑性鉸區(qū)的最大剪力,通過對比塑性鉸區(qū)的最大剪力和剪切強度的大小來判斷橋墩塑性鉸區(qū)在近場地震作用下是否發(fā)生剪切破壞。

表3 PGA=1.0 g時塑性鉸區(qū)抗剪強度驗算Table 3 Checking calculation of shear strength of plastic hinge area when PGA = 1.0 g

由表3可知：脈沖型地震作用下塑性鉸區(qū)的最大剪力為1 892.5 kN,最大剪力剪切強度比為0.97;非脈沖型地震作用下塑性鉸區(qū)的最大剪力為1 737.8 kN,最大剪力剪切強度比為0.89。將兩類地震作用下的最大剪力剪切強度比分別取平均值得到近場地震作用下塑性鉸區(qū)的最大剪力剪切強度比為0.82,說明塑性鉸區(qū)的最大剪力小于剪切強度,該簡支梁橋在近場地震作用下塑性鉸區(qū)的抗剪強度驗算滿足規(guī)范要求。

3.4 彈塑性分析

通過對近場地震作用下該簡支梁橋的墩梁相對位移分析可知：當(dāng)PGA=1.0 g時,Δ1和Δ2處的墩梁相對位移超過規(guī)范計算的搭接長度,理論上梁體發(fā)生落梁破壞。但隨著PGA的增加,墩底的彎矩會超過屈服彎矩進(jìn)入塑性,從而出現(xiàn)塑性鉸,當(dāng)PGA進(jìn)一步增大時,塑性鉸的轉(zhuǎn)角也會迅速增大,甚至出現(xiàn)塑性鉸區(qū)最大轉(zhuǎn)角超過極限轉(zhuǎn)角,橋墩發(fā)生破壞的情況。橋墩破壞會導(dǎo)致墩梁相對位移的計算結(jié)果不準(zhǔn)確,因此需要判斷墩底塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角是否超過極限轉(zhuǎn)角,以及在何時超過極限轉(zhuǎn)角。通過XTRACT計算出該簡支梁橋的墩底塑性鉸的有效屈服彎矩為11 950 kN·m,極限彎矩為12 040 kN·m,有效屈服曲率為0.002 333,極限曲率為0.028 28,塑性鉸的極限轉(zhuǎn)角為0.031 14 rad。

為了觀察墩底塑性鉸隨PGA的變化情況,同時分析脈沖效應(yīng)對彈塑性結(jié)果的影響,將峰值加速度為0.1～1.0 g時塑性鉸區(qū)的彎矩和轉(zhuǎn)角繪制成滯回曲線。由于篇幅的限制,文中僅列出PGA=0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 g時3個橋墩的塑性鉸滯回曲線。圖11和圖12分別為脈沖型地震和非脈沖地震作用下橋墩塑性鉸滯回曲線。

圖11 脈沖型地震作用下塑性鉸滯回曲線Fig. 11 Hysteresis curve of plastic hinge under pulse type earthquake

圖12 非脈沖型地震作用下塑性鉸滯回曲線Fig. 12 Hysteresis curve of plastic hinge under non-pulse earthquake action

由圖11可知：在脈沖型地震作用下,當(dāng)PGA=0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 g時,1號墩塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角為0.007 3、0.024 7、0.053 2、0.081 6和0.106 rad;2號墩塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角為0.016 4、0.040 3、0.081 8、0.120和0.154;3號墩塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角為0.006 4、0.020 8、0.041 7、0.073 1和0.091 1 rad。PGA=0.2 g時,墩底的最大彎矩已經(jīng)超過屈服彎矩,橋墩進(jìn)入塑性;PGA=0.4 g時,TCU103-E、TCU109-N和TCU120-E作用下塑性鉸區(qū)的最大轉(zhuǎn)角超過極限轉(zhuǎn)角;PGA=0.6 g時,所有脈沖型地震動作用下塑性鉸區(qū)的最大轉(zhuǎn)角超過極限轉(zhuǎn)角,橋墩發(fā)生破壞。

由圖12可知,在非脈沖型地震作用下,當(dāng)PGA=0.2 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g和1.0 g時,1號墩塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角為0.0012 rad、0.002 rad、0.0065 rad、0.0138 rad和0.0203 rad;2號墩塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角為0.0016 rad、0.076 rad、0.0154 rad、0.0209 rad和0.0282 rad;3號墩塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角為0.0012 rad、0.00351 rad、0.0065 rad、0.0138 rad和0.0203 rad。PGA=0.2 g時,墩底彎矩小于屈服彎矩,結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài);PGA=0.4 g時,2號墩墩底塑性鉸區(qū)的最大彎矩超過屈服彎矩,橋墩開始進(jìn)入塑性;PGA=1.0 g時,所有非脈沖型地震動作用下塑性鉸區(qū)的轉(zhuǎn)角均小于極限轉(zhuǎn)角。

綜上分析可知,近斷層地震動的脈沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響較大,當(dāng)PGA=0.6 g時,脈沖型地震作用下墩底塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角均超過極限轉(zhuǎn)角,橋墩發(fā)生破壞。然而當(dāng)PGA=1.0 g時,非脈沖型地震作用下的塑性鉸轉(zhuǎn)角均未超過極限轉(zhuǎn)角。

3.5 搭接長度分析

在脈沖型地震作用下,當(dāng)PGA=1.0 g時,該橋的墩梁相對位移超過規(guī)范計算值,理論上梁體發(fā)生落梁破壞,但PGA達(dá)到0.6 g后,墩底塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角超過極限轉(zhuǎn)角,橋墩發(fā)生破壞。塑性鉸轉(zhuǎn)角超過極限轉(zhuǎn)角后會導(dǎo)致墩梁相對位移的計算結(jié)果不準(zhǔn)確,所以需找到塑性鉸轉(zhuǎn)角剛好達(dá)到極限轉(zhuǎn)角的時間,并將該時段內(nèi)的墩梁相對位移與規(guī)范計算值作比較,從而分析該簡支梁橋在近斷層地震作用下的搭接長度需求。當(dāng)輸入地震動為非脈沖型地震時,PGA=1.0 g的墩梁相對位移最大值為41.5 cm,遠(yuǎn)小于規(guī)范計算值,且塑性鉸區(qū)的最大轉(zhuǎn)角也小于極限轉(zhuǎn)角,結(jié)構(gòu)處于塑性狀態(tài),所以在研究近場地震作用下簡支梁的搭接長度需求時可以只分析脈沖型地震作用下簡支梁橋的墩梁相對位移,無需考慮非脈沖型地震作用下的墩梁相對位移。

由于2號墩的塑性鉸轉(zhuǎn)角大于1號墩和3號墩,需計算地震開始作用時至2號墩塑性鉸最大轉(zhuǎn)角達(dá)到極限轉(zhuǎn)角時段內(nèi)的墩梁相對位移。表4為脈沖型地震作用時塑性鉸轉(zhuǎn)角達(dá)到極限轉(zhuǎn)角的時刻。

表4 脈沖型地震作用下塑性鉸轉(zhuǎn)角達(dá)到極限轉(zhuǎn)角的時刻(s)Table 4 Time when the plastic hinge angle reaches the limit angle under the action of pulse earthquake(s)

由于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)受地震動多重因素的影響,當(dāng)輸入地震動不同時,塑性鉸轉(zhuǎn)角達(dá)到極限轉(zhuǎn)角的PGA也不相同。從表4可以看出：所有工況在PGA為0.4～0.6 g時塑性鉸最大轉(zhuǎn)角超過極限轉(zhuǎn)角,橋墩發(fā)生破壞。通過塑性鉸轉(zhuǎn)角達(dá)到極限轉(zhuǎn)角時刻可得到塑性鉸破壞前的墩梁相對位移。圖13為脈沖型地震動作用下塑性鉸破壞前墩梁相對位移。

圖13 脈沖型地震作用下塑性鉸破壞前墩梁相對位移Fig. 13 Relative displacement of pier beam before plastic hinge failure under pulse earthquake

由圖13可知：當(dāng)脈沖型地震作用時,塑性鉸破壞前墩梁相對位移均沒有超過規(guī)范計算的搭接長度,這是因為在墩梁相對位移超過規(guī)范計算值前,墩底塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角已經(jīng)超過極限轉(zhuǎn)角,橋墩已經(jīng)破壞。隨著PGA的增大,Δ1和Δ6、Δ2和Δ5處的墩梁相對位移先增大后保持在37 cm,占規(guī)范計算值的41.8%,Δ3和Δ4處的墩梁相對位移增加較為緩慢,最大值為20 cm,占規(guī)范計算值的22.6%,所有位置考慮塑性鉸破壞前墩梁相對位移遠(yuǎn)小于規(guī)范搭接長度公式計算值,近場地震作用下簡支梁橋的搭接長度需求滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

基于ANSYS平臺建立了簡支梁橋的三維有限元模型。通過動力響應(yīng)時程分析、彈塑性分析和抗剪能力分析,研究了近場地震作用下簡支梁橋的搭接長度需求。主要有以下結(jié)論：

1) 由于脈沖效應(yīng)顯著放大了地震動的反應(yīng)譜值,脈沖地震作用下的墩梁相對位移增大速度比非脈沖型地震動作用時快。當(dāng)脈沖型地震動的PGA=1.0 g時,墩梁相對位移最大值為115.1 cm,理論上會發(fā)生落梁破壞。當(dāng)非脈沖型地震動的PGA=1.0 g時,墩梁相對位移最大值為41.5 cm,遠(yuǎn)小于規(guī)范計算的搭接長度。

2) 脈沖型地震與非脈沖型地震作用下塑性鉸區(qū)的最大剪力分別為1 892.5 kN和1 737.8 kN,最大剪力剪切強度比平均值為0.82,塑性鉸區(qū)的最大剪力均小于剪切強度,該簡支梁橋在近場地震作用下塑性鉸區(qū)的抗剪強度驗算滿足抗震設(shè)計規(guī)范要求。

3) 近斷層地震動的脈沖效應(yīng)對橋梁的地震響應(yīng)影響較大,當(dāng)PGA=0.6 g時,脈沖型地震作用下所有橋墩底部塑性鉸區(qū)的最大轉(zhuǎn)角均超過極限轉(zhuǎn)角,橋墩發(fā)生破壞。然而當(dāng)PGA=1.0 g時,非脈沖型地震動作用下的塑性鉸轉(zhuǎn)角均小于極限轉(zhuǎn)角。

4) 當(dāng)脈沖型地震作用時,塑性鉸破壞前墩梁相對位移均沒有超過規(guī)范計算的搭接長度,Δ1和Δ6、Δ2和Δ5處的墩梁相對位移隨PGA的增加先增大后接近37 cm,占規(guī)范計算值的41.8%,Δ3和Δ4處的墩梁相對位移增加較為緩慢,最大值為20 cm,占規(guī)范計算值的22.6%,所有位置考慮塑性鉸破壞前墩梁相對位移遠(yuǎn)小于規(guī)范搭接長度公式計算值,近場地震作用下簡支梁橋的搭接長度需求滿足規(guī)范要求。