近断层地震脉冲效应对大跨度桥梁地震响应的影响

如表 ３所 示 ， 加 速 度 脉 冲 为 主 导 的 Ｒｎｌｉ 以 ｉａ ｄ
输入 引起 悬索 桥各 关键 部 位 的位 移 响 应 与 Ｅｃ ｎ ｏ ｌｅ ｔ ｒ 波 的结果 比较 接 近 ， 别 部 位 甚 至 还 小 ， 是 以 滑 个 但
冲效 应为 主导 的 Ｔｕ７ ｃ０６输 入却 激 起 了塔 梁 连接 处 ３～ ４倍 的位 移 响应 ； 与此 同 时 ， 向输 入 下 塔 顶 的 纵 位 移却 相差 不 大 ， 且 位 移 量 也 相 比较 小 ， 说 明 而 这 塔 本 身 的振 动 不是 引起 如 此 大 纵 向相 对 位 移 的 主 要 原 因 。另 外 ， 由表 ２可 见 ， 管 悬 索 桥 的一 阶 周 尽 期最 长 ， 到 ２ ， 达 １Ｓ但模 态 是 横桥 向 的 ， 第 二 阶 纵 而
长周 期结 构也许 并 不合适 。因此 ， 采用 Ｃ ＷＢ获得 加速 度 时程记 录 ， 通 过 积分 和 二次 积 分获 得 速度 和具 并 有 明显滑 冲效应 的位移 时程 ， １为 以上各 记录 的相关 信息 。 表
表 １ 所 用 地 震 波 信 息
因 Ｅｃｎ ｏＮ ｌ ￣ Ｓ记 录 的加 速度 峰值 在 ０ ３ ｅ ．ｇ左右 ， 因此 以上所有 记 录均按 加速 度峰 值调 整到 ０ ３ 图 １ ．ｇ， 为相应 的 ５ 阻尼 比 的加 速度 和位 移反 应谱 。考 虑 到 大跨 度 桥 梁 的周 期 很 长 ， ％ 因此 反 应谱 曲线 包含 了直
ｔ、 ｏｔ ｉｇ 、 ｏｅＬｍｉａｄＣ ｉｈ） 分 展示 了此 类地 震 异 于远 场 地 震 的 显 著脉 冲特 点 及其 对 土木 工 ａＮ ｒ ｒ ｅ Ｋ ｂ 、ｚ ｔ ｎ ｈＣ ｉ充 ｈｄ
程结 构 产生 的 灾难 性破 坏 ， 引起 了 国际地 震工 程 界 和土 木工 程 界对 该类 地 震 动本 身及 其 作用 下 结 构 的抗
桥 向模 态周期 为 １ ， 只有 ９ ４ 的质量 参 与 ， ２Ｓ但 ．％ 可 以预见 的是 随着 纵桥 向振 动 质量 参 与 的增加 ， 冲 滑 效应 的 影 响会 更 明 显 ， 在 模 型 ２中可 以 得 到 印 这
震性 能 的广泛 而深 入 的研 究 ¨ Ｊ 。。普遍 的研 究表 明 ： 近断 层 地 震 最 为 突 出 的两 个 特 点 是 它 的前 导 方 向性
（ｏｗ ｒ ｒｐｕｅｄｒｃ ｖ ｙ 效 应 和滑 冲效 应 （ ｉｇｓ ｐ 。前 一效 应表 现 为加 速度 时程 中明显 的脉 冲 ， ｆ ａｄ ｕ ｔｒ ｉ ｔ ｉ ） ｒ ｅ ｉｔ ｌ ｆｎ ｔ ） ｅ 后
至 ２ １ｓ的长周期 成分 。
１１ ．ｇ
１ ．
０９ ．ｇ
Ｏ８ ．ｇ Ｏ７ ．ｇ
懿
０３ ．ｇ ０２ ．ｇ
０．ｇ １ Ｏ． Ｏ ２
（） 移 谱 ｂ位
图 １ 所 选 地 震 波 的 反 应 谱
２ 桥 梁 模 型 的 建 立
三种 典型 的大 跨度 桥梁 模型 分别 如 图 ２所示 。模 型 １为 主跨 １６ ０ １ 的地 锚 式悬 索 桥 ； 型 ２为 主 ５ Ｉ Ｔ 模
近断层地震脉冲效应对大跨 度桥梁地 震响应的影响
段 昕智 ， 徐 艳 ， 李建 中
２ ０９ ） ０ ０ ２ （ 同济 大 学 土 木 工 程 防 灾 国家 重 点 实验 室 ， 海 上
摘要 ： 次震 害表 明 ， 断层 地 震 的脉 冲效 应 （ 冲 ｆｎ ｔ 历 近 滑 ｌ ｇｓ ｐ和 前 导 方 向性 ｆｒａｄ ｒｐｕｅ ｉ ｅ ｏｗ ｒ ｕ ｔｒ ｄｒｃｉ ｔ） ｉ ｔ ｉ 使得 大量土 木 工程 结构 产生 灾难 性 的破 坏 。大跨 度 桥 梁 的动 力 特 性 决定 了这 两种 不 ｅ ｖｙ
能对位 移 响应 并无 太 大影响 ， 对其 内力 响 应 具 有 与 滑 冲效 应 同等 程 度 的影 响 ； 于周 期 较 短 却 对
的拱 桥 结构 ， 虽然滑 冲效 应对 其部 分 长振 动 周期 结构 的位 移 响 应 具 有 较 大的 影 响 ， 加 速 度 脉 但
冲对结 构 内力的影响 更 为显 著 。
硕士研究生
基金项 目： 国家 自然科学 基金 （ １０ ２５ ５０ ８ ２ ）
２
石家庄 铁道 大 学学报 （自然科 学版 ）
第２ ４卷
是 使用 最为广 泛 的地震 波 ， 并且其 加 速 度 和速 度 时程 中均 不 含有 任 何 脉 冲 ， 以此 作 为 研 究 近 断层 地 震 两 种 脉冲效 应 的基 础 ； ２ Ｒｎｌｉ 录 ， 的显 著 特 点 是 具 有 前 导 方 向性 效 应 产 生 的加 速 度 脉 冲 ； ３ （ ） ｉａｄ 记 它 （） Ｔｕ７ ｃ０６记录 ， 的显著 特点 是具 有滑 冲效应 产生 的速度脉 冲及 大位 移 。 它 上述 Ｅ ｃｎｒ Ｌｅｔ ｏ和 Ｒｎｌｉ 录均 来 自太 平 洋地 震 研 究 中心 强 震 数 据 库 Ｐ Ｅ ｔ ｎ ｔｎＤ ｔｂｓ ｉａ 记 ｄ Ｅ Ｒ Ｓｒ ｇＭｏｏ ａ ａｅ ｏ ｉ ａ （ｔ ：／ ｅｒｂｒｅ ｙ ｄ／ｍｃｔｉｄｘｈｍ ） 但 Ｔｕ７ ｈｔ ／ ｐｅ．ｅｋｌ ．ｅｕｓ ａ ｎｅ．ｔ１ ， ｃ０６记 录来 自台湾 中央 气 象 局 Ｃ ｐ ｅ ／ ＷＢ官 方 网站 （ ｔ ｈ—
采用 梁 、 杆单元 来模 拟 ； 支座 、 伸缩 缝 等连 接 处 均采 用 主从 关 系 来模 拟 ， 主梁 以及 塔 梁 或拱 梁 交 接 处 纵 向
约束 均放 松 ； 部结 构在 墩底 处 固结 。这样 处理 有助 于简 化模 型而将 重 点 放在 脉 冲效 应 引起 的 动力 响应 下 的差 异上 。考 虑 到大跨 度桥 梁 的恒载 比例 较 大 ， 几何 非线 性 的影 响不 能 忽 略 ， 有 模 型 的动 力 计 算 均 且 所
跨 １０８ｉ ８ ｎ的飘 浮体 系斜 拉桥 ； 型 ３为 主跨 ５０ｉ 模 ５ ｎ的钢 系 杆拱 桥 。考 虑 到研 究 目的在 于 探讨 近断层 地 震脉 冲效 应对 不 同周期 桥梁 结构 的影 响而并 非 对 实 桥 的抗 震 性 能研 究 ， 因此 在 建模 过程 中 ， 部 结 构均 上
关键 词 ： 断层 地震 ； 冲 ； 近 脉 滑冲 ； 导方 向性 ； 梁 前 桥 中图分 类号 ： ４ ２ ５ 文献 标识 码 ： Ｕ ４ ．５ Ａ 文章 编 号 ： ０ ５— ３ ３ ２ １ ） ３— ０ １ ０ ２９ ０７ （０ １ ０ ００ —７
随着近年来公路交通网络的建设和规划发展 ， 越来越多的大跨度桥梁在滇西北和藏东南 以及川西等
一
效应 表 现为 速度 时程 中的速度 脉 冲 以及 由此 产 生 的大位 移 。 Ｍ ｋｉ ａｒ ｓ等人 的研究 进一 步 表 明 ， 即使 由
滑 冲效 应产 生 的速度 脉 冲引起 了很大 的地 面位移 ， 导致 大部 分土 木工 程结 构 （Ｔ ＜ ） 坏 的是 前 导方 但 ４ｓ 破 向性效 应产 生 的加速 度 脉 冲 ， 速度 脉 冲只有 对一 些长 周期 结 构 （Ｔ ＞ ） 值得 关 注 。 而 ４Ｓ才 从 已发 表 的文献 来看 ， 目前 大部分 工作 集 中在 对周 期 较短 的建 筑结 构 在 近 断层 加 速度 脉 冲 作用 下 的 研究 ， 针对 桥梁 结构 的研 究相 对 较少 且 研 究 对 象 的周 期 较 短 Ｊ通 常不 超 过 ４Ｓ对 于长 周 期 桥 梁 结 构 而 ， ， 在 近 断层脉 冲作 用 下 的研 究相 对 缺乏 ， 滑 冲效 应对 工 程结 构 产生 的影 响远 没有 前导 方 向性 效 应研 究 的 且
第２卷 第３ ４ 期
石 家庄铁 道 大 学 学报 （自然科 学版 ）
Ｖ ．４ 。 ｏ２ ． １ Ｎ ３
２１年０ 月 ＪＵＮ Ｌ Ｆ Ｈ Ｉ Ｈ Ａ Ｇ Ｉ Ａ Ｎ ＥＳ Ｙ（ＡＵＡ Ｉ Ｃ ） Ｓ ．０１ ０１ ９ ＯＲ Ａ ＩＡ Ｕ Ｎ Ｅ ＯＵＩ ＲＩ Ｎ ＴＲＬ Ｃ ＮＥ Ｏ ＳＪＺ ＴＤ Ｖ Ｔ Ｓ Ｅ ｅ ２１ ｐ
位 置 ： 索桥 和斜 拉桥 的塔 顶 、 梁 连 接 处 ， 桥 的 悬 塔 拱
拱顶 、 脚 、 拱 拱肋 横梁 交接 处 ， 墩墩 顶 等 部 位 进 行 各
地震 响应 的观 察 。表 ３～表 ８列 出 了这 些部 位在 所 选 近断层 地震 输 入下 的地 震 响应 。 ３ １ 模 型 １悬 索桥 ． 一
广 泛和 深入 。
因此 ， 为近 断层 地震 作用 下大 跨度 桥 梁 抗 震性 能 的 系列 研 究 之 一 ， 先 选 取 具 有 典 型 滑 冲 和前 导 作 首 方 向性效应 的近断层 地震 记 录 ， 针对 大跨 度桥 梁 的三种 代 表 性桥 型 ： 索 桥 、 悬 斜拉 桥 和 拱桥 进 行 了地 震 响 应 比较 分析 ， 探讨 近 断层 地震 的不 同脉 冲效 应对 大跨 度 桥梁 结构 产生 的影 响 。
１ 输 入 地 震 动 的选 取
输入 地震 动 的选 取 主要考 虑 近断层 地震 动 的显 著 特 点 ， 并各 具 代 表性 ：１ １４ ｌｅｔ Ｓ记 录 ， （ ）９０Ｅｃｎ ｏＮ ｒ 它
收 稿 日期 ：０ １ ０ ０ ２ １ ～６ ２
作者简介 ： 段昕智
男 １８ ９ ７年 出生
高烈度 地震 区域建成 以及正 在修 建 ， 这些 桥梁 很 可能 会建 于活 性 断层 附 近或 不 可 避免 的跨 越 断层 。众 所 周知的 ５１ ．２汶川 大地 震 ， 造成 了靠 近 发震 断层 附近 地 区工 程 结 构 的严 重破 坏 ， 导致 了巨 大 的人 员 伤亡 和
财 产损 失 ， 特别 是桥 梁工 程 的严重 损 坏 ， 得救 灾物 资 和救 援人 员难 以抵 达 ， 使 导致 灾 害更 为严 重 。 事 实上 ， ２ 从 ０世纪 ９ ０年 代 以来 ， 国 、 美 日本 、 耳其 以及 中 国台湾相 继发 生 的近 断层 地震 （ ｏ ｒ ． 土 Ｌ ｍａＰｉ ｅ