地震序列作用下桥梁结构的响应及抗震措施

图６桥墩墩底破坏程度
Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｐｉｅｒ－ｂｏｔｔｏｍ
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图１主梁横断面图
Ｆｉｇ．１ Ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ
图２桥梁结构有限元模型
Ｆｉｇ．２ Ｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ
２ 地震序列作用下桥梁结构的响应
２．１地震序列的选取 通过收集已发生的地震序列发现，于１９９９年发生在我国台湾的集集地震序列规模惊人。震级６．５以上
万方数据
第２期
张煜敏等：地震序列作用下桥梁结构的响应及抗震措施
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在对结构进行弹塑性时程分析计算时，采用累积的方式对结构输入地震荷载，地震序列的主震地震动时 程如图３所示。由于在破坏性地震中，最为常见的是桥梁顺桥向发生落梁，因此地震序列采用顺桥向激励。
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图３地震序列主震地震动时程
Ｆｉｇ．３ Ａｃｃｅｌｅｍｔｉ∞ｔｉ眦ｈｉｓ呻０ｆ Ｉｎａｉｎｓｈｏｃｋ
张煜敏，刘健新，赵国辉
（长安大学公路学院，陕西西安７１００６４）
摘要：地震具有丛集的特征，主震发生之后通常伴随余震，主震震级越高，余震对结构的破坏越大。桥 梁结构作为生命线工程中的重要一环，应在整个地震序列发生时确保通行。选用集集地震序列时程
数据，对桥梁进行地震响应分析，发现结构在主震作用下，主梁发生落座，余震作用下有落梁的可能。
本文采用具代表性的集集地震序列加速度时程，分析桥梁结构在地震序列下的响应，结合国内外已有的 连梁装置设计方法，研究连梁装置对结构在地震序列作用下地震响应的影响，以便为更进一步对桥梁结构进 行抗震设计提供参考。
１ 计算模型
某５×３０ ｍ连续梁桥，主梁横断面如图ｌ所示，梁宽１７ ｍ、高１．６ ｍ，墩高１０ ｍ，墩径为１．８ ｍ，边墩采用 滑板支座，中墩采用板式支座，支座高度为０．０５３ ｍ。主梁材料为Ｃ５０混凝土，盖梁和桥墩采用Ｃ３０混凝土。 主梁、盖梁与桥墩均采用梁单元进行模拟，橡胶支座模拟为弹性连接，墩底采用固结方式模拟地基作用，不考 虑桩基作用。其有限元模型如图２所示。
主震激励下结构边墩墩顶位移时程如图５所示，主震时程到 ２０ ｓ之后边墩墩顶产生了永久变位。对桥梁结构进行弹塑性时 程响应分析，结果显示桥墩墩底发生了塑性破坏，墩体一侧保护 层混凝土破碎，如图６所示。
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图５主震激励下边墩墩顶位移时程
Ｆｉｇ．５
Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｓｉｄｅ ｐｉｅｒ ｔｏｐ ｕｎｄｅｒ ｍａｉｎｓｈｏｃｋ
关键词：公路桥梁；地震序列；抗震措施；连梁装置；残余变位
中图分类号：Ｕ４４２．５”
文献标志码：Ａ
Ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ａｎｄ ａｓｅｉｓｍａｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅｓ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ
ＺＨＡＮＧ Ｙｕｍｉｎ，ＬＩＵ Ｊｉａｎｘｉｎ，ＺＨＡＯ Ｇｕｏｈｕｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｈｉｓｈｗａｙ，Ｃｈａｎｇ＇ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６４，Ｃｈｉｎａ）
第３０卷第２期 ２０１０年４月
地震工程与工程振动 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ
文章编号：１０００－１３０１（２０１０）０２—０１３７．０５
Ｖ０１．３０ Ｎｏ．２ Ａｐｔ．２０１０
地震序列作用下桥梁结构的响应及抗震措施
万方数据
地震工程与工程振动 以得到结构设置连梁装置后地震响应的变化规律及连梁装置的防梁结构设连梁装置后计算结果 Ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ
第３０卷
由表中的计算结果可见，设置连梁装置后，桥梁结构在强震 序列（除余震１）作用下的主梁位移和上、下部结构相对位移均有 减小，连梁装置的作用使支座变形减小至其允许剪切变形范围 内，起到了防落梁效果；边墩墩顶位移与墩底弯矩增大，边墩与中 墩墩底弯矩值较为接近，说明在连梁装置的作用下，结构抗推刚 度及整体性均有所增大，边墩亦参与分担地震荷载，使地震力在 各墩间平均分配。
通过计算得到结构反力，由１．５倍恒载反力法得到连梁装置的设计承载力日，＝１．５Ｒ。＝２ ５２６．３９ ｋＮ。 选择抗拉设计强度ｏｒ。＝１ ６７０ ＭＰａ，型号为ＰＥＳ（Ｈ）５—０６１的拉索，桥梁单侧所有连梁装置的总破断索力
Ｐ６＝４ ０００ ｋＮ。
３．２采用连梁装置后的结构影响 对设置连梁装置的桥梁结构进行地震序列动力时程分析，将结构地震响应与未设置连粱装置时相比较，
的强烈余震在主震后７日内便已发生４次，是相当罕见的例子‘５｜。 本文将一地震台站收集的集集地震序列记录进行整理，取其中具有代表性的部分作为地震荷载进行动
力时程分析计算，该地震序列的参数如表ｌ所示。
Ｔａｂｌｅ １
表１集集强震序列时程参数统计表
Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｃｈｉ—Ｃｈｉ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ
作为生命线工程枢纽的桥梁，保证其抗震性能对城市的防震救灾工作至关重要。在桥梁结构抗震设计 阶段，应适当考虑余震可能造成的影响，以便在一定程度上降低结构的震害。抗震措施用于防御结构遭受未 预期的地震，并已证明可有效减轻桥梁的震害旧ｊ。由梁搁置长度、限位装置和连梁装置构成的防落梁系统 被用来防止相邻桥梁在强烈地震中产生过大的相对位移Ｈ Ｊ。连梁装置作为该系统的最后一道防线，在防止 桥梁结构发生落梁上起到至关重要的作用。
Ｒｙ（ｒａｄ／ｍ）
图７余震ｌ激励下边墩墩底弯矩一曲率滞回曲线 Ｆｉｇ．７ Ｍｏｍｅｎｔ·ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｏｆ ｃｕｒｖｅ
ｓｉｄｅ·ｐｉｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｆｔｅｒｓｈｏｃｋ ｌ
表３中余震ｌ作用工况中，中墩的梁墩相对位移在设置连梁装置之后反而较不设置时大，其原因是主震 引起的边墩上、下部结构相对位移数值大于结构在余震ｌ单独激励时所产生的相对位移。余震１激励时边 墩墩底截面的弯矩一曲率滞回曲线如图７所示。由图可见，主震激励后墩底截面已产生了扭转角，结构在后 续余震激励下的变形在此残余变形基础上发生。
万方数据
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地震工程与工程振动
第３０卷
引言
地震一般是由前震、主震、余震组成的序列。震级高的地震，往往会伴随强余震的发生…。余震作用下 的结构通常是主震后带有损伤的结构，余震的发生将进一步加重结构的震害，甚至会成为结构物倒塌的决定 因素旧Ｊ。国内外结构抗震研究与现行的抗震设计规范在地震荷载方面的规定，仍只考虑主震的作用，对地 震序列中余震对桥梁结构抗震性能的影响考虑较少。
图４连梁装置的简化模型
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２．２地震序列作用下的结构响应 通过对桥梁结构进行地震序列动力时程分析，各余震均在前次地震的基础上发生，得到该地震序列作用
下桥梁结构的地震响应结果，如表２所示。
袭２桥梁结构地震响应结果统计衰
Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ
由表中数据可见，在地震序列作用下，桥梁结构的主梁发生了较大位移，主梁与桥墩相对位移也较大，因 边跨采用滑板支座，地震荷载主要靠中墩分担，边墩的墩顶位移与墩底弯矩较中墩明显小，而边墩的梁墩相 对位移相对较大。
结构梁墩相对位移（亦即支座发生的位移）为０．１６１ １ ｒｒｌ，本桥支座的允许剪切变形量为０．０８０ ｍ，在主 震作用下主梁已脱座，结构有在后续余震中发生落梁的危险。需设置连梁装置以限制桥梁上、下部结构相对 位移，使主梁不发生落梁。
ｒｅｓｉｄｕａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
收穑日期：２００９－０８－１６；修订日期：２００９－０９－２９ 基金项目：交通部规范编制“公路桥梁抗震连梁装置研究”资助项目（２００４０２） 作者简介：张煜敏（１９８３一），女，博士研究生，主要从事桥梁结构抗震、抗风研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｕｍｉｎｃｏｍ＠ｔｏｍ．ｃｏｎｌ
结合国内外现有的连梁装置设计方法对结构布设抗震措施，并与初始结构的地震响应作对比，结果显
示，连梁装置可有效抑制桥梁上、下部结构相对位移，提高结构抗推能力与整体性。因边墩负荷增大，
主震激励下边墩发生了塑性破坏，余震序列作用下结构仍保安全。分析结构地震序列作用下的抗震
性能，以保证结构在地震时的通行能力，这是非常必要的。
３连梁装置的防落梁效果分析
３．１连梁装置的设计 在正常工作状态下或小震时，连梁装置不发挥作用，使上部结构可自由伸缩或振动；在桥梁结构遭遇未
预期地震作用、支座因变形过大而丧失支承功能后，连梁装置开始发挥作用，限制上部结构的振动，使桥梁 上、下部结构相对位移不致超过梁的搁置长度，从而防止落梁发生。
结合国内外桥梁抗震措施的相关研究【６’７Ｊ以及规范中对连梁装置设计方法的规定，采用日本《道路桥示 方书·同解说·Ｖ耐震设计篇》中连梁装置的设计抗拉力等于支座反力的１．５倍（简称１．５倍恒载反力法） 设计连梁装置¨】。选用主梁与桥墩连接形式、可控制其设计位移量的拉索式连梁装置［９］，其有限元模型简 图如图４所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｈａｓ ｔｌｌｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｃｌｕｓｔｅｒ．Ｔｈｅ ａｆｔｅｒｓｈｏｃｋｓ ｈａｐｐｅｎ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｍａｉｎｓｈｏｃｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎｓｈｏｅｋ ｗｉｔｈ ｇｒｅａｔ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｈａｓ ｌａｒｇｅｒ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ａｆｔｅｒｓｈｏｃｋｓ．Ａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｌｉｆｅｌｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｂｒｉｄｇｅｓ ａｒｅ ｒｅ— ｑｕｉｒｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｅｃｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｈｉ—Ｃｈｉ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｔｈｅ ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｂｒｉｄｇｅ；ｔｈｅ ｇｉｒｄｅｒ ｗｉｌｌ ｆａｌｌ ｄｏｗｎ ｆｒｏｍ ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｕｎｄｅｒ ｍａｉｎｓｈｏｃｋ，ａｎｄ ｍａｙ ｆａｌｌ ｏｆｆ ｔｈｅ ｐｉｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ａｆ－ ｔｅｒｓｈｏｃｋｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ，ｗｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ－ｕｎｓｅａｔｉｎｇ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｌｌａｐｓｅ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｕｎｓｅａｔｉｎｇ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｐｕｓｈｉｎｇ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａｓ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｏｆ ｓｉｄｅ—ｐｉｅｒ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ＯＣＣＨＩＸ３ ｕｎｄｅｒ ｍａｉｎｓｈｏｃｋ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｓｅｃｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ａｆｔｅｒｓｈｏｃｋｓ．Ｉｔ＇ｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｅｉｓ－ ｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅｓ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｗａｙ ｂｒｉｄｇｅ；ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ；ｅａｒｔｈｇｕａｋｅ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅ；ｕｎｓｅａｔｉｎｇ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ；