近断层脉冲型地震动作用下高墩连续刚构桥振动台试验研究

闫维明，罗振源，许维炳，陈彦江，王 瑾

(北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京 100124)

高墩连续刚构桥具有跨越能力强、施工便利及造型优美等优点，是跨越山谷、河流的常见桥型.一般其自重较大，相对刚度较小，自振周期长，并且由于结构高柔，在地震下易激起高阶阵型参与振动，造成与中低墩桥梁不同的破坏模式[1-2].高墩连续刚构桥常修建于断层构造活跃的山区地带，而近几次地震灾害调查研究表明，近断层区域内的工程结构遭受速度脉冲型地震动作用的可能性很大[3-4].近断层脉冲型地震动具有显著的脉冲效应，其速度脉冲具有周期长(1 s以上)、持时短及能量大等特点，对工程结构尤其是长周期结构的地震响应影响显著[5-7]，国内外学者针对近断层地震动作用下工程结构的动力响应进行了广泛的研究.

在近断层地震动对工程结构震害影响方面，Kalkan等[8]指出近断层地震动输入结构的层间位移响应显著大于远场地震动作为输出得到的结构层间位移.Li等[9]以苏通大桥为例，对大跨径斜拉桥在近断层脉冲型地震动作用下的响应进行了研究，结果表明：与无脉冲地震动相比，近断层脉冲型地震动会造成大跨径斜拉桥的位移和内力响应显著增大，滑冲效应脉冲比向前方向性脉冲造成的破坏更严重.李宁等[10]对近断层地震作用下某钢筋混凝土(reinforced concrede,RC)桥梁结构地震易损性进行了分析，结果表明近场效应会增加结构的损伤概率.石岩等[11]、陈令坤等[12]对近断层地震下高速铁路桥梁的抗震性能及减震控制进行了研究，指出相比远场地震动，近场效应对桥梁结构的延性耗能能力需求更高，适用于远场地震的减震榫在近断层地震下偏于不安全.

在近断层地震动速度脉冲参数影响研究方面，Makris等[13]指出速度脉冲幅值较加速度幅值更适合作为近断层地震动激励强度的评价指标；Yang等[14]对近断层地震动的滑冲效应和向前方向性效应进行了研究，指出滑冲效应可以激起结构的基频振动，而向前方向性效应却对结构的高阶频率振动影响更为显著.Cao等[15]在考虑土-结构相互作用的条件下，对近断层地震动引起的对称结构扭转效应进行了分析，指出当脉冲周期接近结构的扭转振型频率时，结构的扭转响应最大.Davoodi等[16]对远场地震动和近场地震动作用下土石坝的地震响应规律进行了研究，指出当脉冲周期与结构基频之比为1.5～4.0倍时，结构参数的需求量最大；而当脉冲周期与结构基频之比小于1.0或接近1.0时，结构参数的需求量较小；李帅等[17]以一座斜拉桥为研究对象，探讨了断层区内不同空间分布的近断层地震动对斜拉桥地震响应的影响规律，指出对位于断层破裂区域的结构进行抗震设计时，须同时提高强度与变形需求.

总结国内外研究现状，研究者们大多基于有限元数值计算研究近断层地震动对常规工程结构的影响，近断层地震动的速度脉冲特性对长周期桥梁结构的地震响应影响规律仍不明确，既有研究成果的有效性和适用性尚未得到验证(振动台试验)；此外，近断层速度脉冲参数及其变化对长周期桥梁地震响应的影响研究尚处于起步阶段.基于此，本文以某典型长周期高墩连续刚构桥为原型，设计制作了该桥的1/15缩尺试验模型，依据结构设计反应谱(目标反应谱)，选取具有相同场地条件的远场地震动和具有不同速度脉冲参数的近断层地震动，基于北京工业大学的九子台地震模拟振动台台阵系统，开展了远场地震动和近场脉冲型地震动作用下高墩连续刚构桥的地震响应规律研究，并重点探究了近断层地震动速度脉冲参数(限于篇幅，本文仅对速度脉冲参数中的脉冲个数进行讨论)对高墩连续刚构桥地震响应的影响规律.

1 振动台试验设计

1.1 原型概况

原型桥总长270 m，桥跨布置形式为45 m+80 m+80 m+45 m，如图1所示.原型桥为预应力混凝土变截面连续刚构桥，主梁为箱形截面，根部截面梁高5.2 m，跨中截面梁高2 m，箱梁顶板宽10.5 m，底板宽5.2 m；下部结构为双肢薄壁矩形截面空心桥墩，单肢截面尺寸5.5 m×3.5 m，最大墩高为75 m，墩跨比(最大墩高与最大主跨之比)为0.93，墩身质量占整桥总质量的比重远大于普通中低墩桥梁，属于典型的高墩桥梁.

1.2 相似比设计

综合考虑振动台技术参数、试验模型加工及试验目的，确定试验模型的几何相似比SL=1/15；试验模型桥材料与原型结构相同，弹性模量相似系数SE=1；综合地震波持时、振动台技术参数等条件，等效质量密度相似系数Sρe=2.85.依据相似理论[18]，试验模型桥的其他相似系数见表1.

1.3 试验缩尺模型桥设计

试验模型桥主要由上部主梁、下部桥墩、支座系统及配重块等组成.水平地震作用下，连续刚构桥易发生损伤和破坏的部位主要包括桥墩墩底和墩梁固接位置，而上部主梁在水平地震荷载作用下发生破坏或损伤的概率很小.在试验模型桥设计时，桥墩及主梁根部段采用与原型结构相同的钢筋混凝土材料，而对于试验模型桥主梁跨中段，为了便于施工及安装，采用钢箱梁替代混凝土箱梁进行等效设计.等效截面设计时，以刚度相等、截面构造形式相似及截面形心位置相同为计算方法与等效原则，并通过附加人工质量弥补材料替换引起的质量差值.钢筋混凝土梁段与钢箱梁段通过端部预留钢板焊接连接.试验模型整体设计如图2(a)所示.

原桥的主梁采用C50混凝土，桥墩采用C40混凝土，试验模型各部位混凝土强度等级与原型桥一致.缩尺模型桥全长约17.0 m，跨径布置为3.0 m+5.5 m+5.5 m+3.0 m.共有5个桥墩，两侧边墩(1#和5#)采用单箱双室矩形空心截面，2#～4#桥墩采用双肢薄壁矩形空心截面，试验模型与振动台台面通过螺栓相连，以模拟墩底固结的边界条件，边梁与边墩之间的连接支座按照其功能选取，试验模型桥安装后如图2(b)所示.

1.4 地震波选择与试验工况设计

为了探究近断层脉冲型地震动速度脉冲效应及其参数变化对高墩连续刚构动力响应的影响规律，对以往国内外学者在考虑速度脉冲效应的影响时基于相同目标反应谱选取远场地震动和近断层地震动的地震波选择方法进行了改进：1)所选用的近断层脉冲型地震动和远场地震动来自同一场地震；2)台站场地条件相同；3)加速度幅值相近，以突出近断层地震动速度脉冲因素的影响，减少其他因素的干扰，基于以上原则所选取的地震波见表2.图3给出了所选近断层地震动的速度和加速度反应谱曲线.由图3可看出，与加速度反应谱相比，具有不同速度脉冲特性的地震动速度反应谱的差异更显著，尤其在长周期段，多脉冲速度反应谱谱值最大，其次是单脉冲、双脉冲和无脉冲近断层地震动.试验中所有地震波均分别沿纵向、横向、纵向(主方向)+横向和横向(主方向)+纵向输入.

表2 试验选用的地震动

1.5 振动台与传感器布置

试验基于北京工业大学九子台地震模拟振动台阵系统进行.本文试验振动台布置如图4所示.振动台安装调试后，为了验证振动台的控制精度，沿纵向输入白噪声信号，采集各子振动台的加速度响应信号，并求得相应的反应谱曲线，如图5所示，由图可知，在时域及频域上各子振动台均能较好地再现所输入的地震动加速度信号，满足试验的精度需要.

试验时，在模型桥桥面、桥墩关键截面及支座安装了加速度拾振器、位移计和应变计等传感器以测量模型桥的加速度、位移及应变响应等，传感器布置如图6所示.

2 试验结果分析

2.1 动力参数识别与分析

试验工况输入前，分别沿纵桥向和横桥向输入采样频率为1 000 Hz，幅值为0.1g，持时为30 s的白噪声信号，以获取模型桥关键测点的动力响应，并采用频率分解法(frequency domain decomposition, FDD)与半功率点法(half power point, HPP)对模型桥的动力参数进行识别.图7给出了白噪声激励下试验模型桥纵、横向加速度响应时程的功率谱密度矩阵奇异值及模型桥的前两阶振型.

由图7可知，模型桥的一阶频率为1.92 Hz，二阶频率为2.07 Hz.模型桥的纵、横向一阶振型频率较低，结构自振周期较长.

2.2 近场脉冲型地震动与远场地震动结果对比

限于篇幅，本节仅对试验模型桥的墩顶位移和墩底应变进行分析.图8给出了近场脉冲型地震动RSN1511波(Chi-Chi)和远场地震动RSN1208波(Chi-Chi)作用下试验模型桥3#墩的地震响应时程对比.

由图8可知，近断层脉冲型地震动作用下模型桥的位移响应显著大于远场地震动作用下模型桥的地震响应.近断层脉冲型地震动作用时模型桥的地震响应时程的峰值发生在前段，即脉冲出现的时刻；而远场地震动下模型桥的地震响应时程峰值发生在中后时段.近断层脉冲型地震动的持时较短，其速度大脉冲在短时间内给结构输入的能量很大，瞬时激发结构最大响应，这对边墩处的抗震不利，极易引发边墩处的碰撞和支座破坏.此外，由图8还可以看出，结构高柔、自振周期较长的高墩连续刚构桥在脉冲型地震动作用下结构的地震响应多为低频响应.图9给出了模型桥各桥墩在试验所用近断层脉冲型地震动和远场地震动作用下的位移响应峰值的均值对比.

由图9可知，纵、横向单向输入时，近断层脉冲型地震作用下模型桥各墩的墩顶位移幅值普遍超过了40 mm，而远场地震动作用下模型桥各墩的墩顶位移幅值大多仅在20 mm左右，可见，近断层脉冲型地震作用下高墩连续刚构桥的位移需求约是远场地震下的2倍，这对边墩顶部支座的抗震设计提出更高要求.由图9还可以看出，近断层地震动分别以x+y向和y+x向输入时，模型桥的地震响应相差较大，而对于远场地震动，模型桥的地震响应相差很小，其主要原因就是试验所用近断层地震波的2个水平与竖直分量只有1个包含速度脉冲.此外，由模型桥墩顶和墩底的应变响应时程(限于篇幅，本节并未给出)可知，近断层脉冲型地震动作用下，模型桥的最大应变幅值约为8.0×10-4，模型桥处于弹性阶段.弹性阶段，高墩连续刚构主梁惯性力由各墩共同承担，墩-梁固结处桥墩的墩顶地震响应基本一致，高墩的墩身转角较矮墩的墩身转角小，其纵向刚度更多由矮墩提供，对于不等墩高的高墩连续刚构桥，其矮墩应为抗震设计关注的重点.

2.3 脉冲参数影响分析

近断层地震动脉冲效应主要包括方向性效应和滑冲效应.受方向性效应影响的地震动速度时程中一般包含2个方向相反的连续半脉冲(双脉冲)；而受滑冲效应影响的地震动速度时程中则一般包含一个单方向的半脉冲(单脉冲).当2种效应耦合出现时，在地震动时程上表现出上下波峰不相等，存在多个脉冲峰值等速度脉冲特性.本文分别选取了无脉冲和具有单脉冲、双脉冲、三脉冲的近断层地震动作为输入，开展试验模型桥的振动台试验，以探究速度脉冲个数对模型桥动力响应的影响.

图10给出了近断层无脉冲地震动(A组)、单脉冲地震动(B组)、双脉冲地震动(C组)和多脉冲地震动(D组)作用下模型桥3#墩墩底应变响应和墩顶处主梁位移响应峰值对比结果.

由图10可知，有脉冲的近断层地震动作用下，模型桥主梁位移响应和3#墩墩底应变响应显著大于无脉冲的近断层地震动作用下模型桥相应位置处的动力响应.结合2.2节可知，无脉冲近断层地震动作用下模型桥的地震响应略小于远场地震动输入时模型桥的地震响应，为其0.76～0.95.对比有脉冲的近断层地震动对模型桥动力响应的影响发现，在由断层破裂的向前方向性效应引起的双脉冲型近断层地震动作用下模型桥的动力响应相对较小；由断层错动的滑冲效应引起的单脉冲型近断层地震动下模型桥的动力响应次之，而由方向性效应和滑冲效应耦合引起的多脉冲型近断层地震动作用下模型桥的动力响应最为剧烈.对靠近近场地震影响的工程结构，进行抗震分析时近断层地震动的选择应考虑速度脉冲个数的影响.

为进一步对模型桥脉冲参数的影响规律进行量化分析，定义脉冲个数影响系数AFw，其物理意义为考虑脉冲效应前后结构动力响应幅值之比，即AFw=Ri/R0，其中：Ri为有脉冲的近断层地震动作用下模型桥的动力响应；R0为无脉冲的近断层地震动作用下模型桥的动力响应.鉴于模型桥墩顶位移响应与墩底应变响应的脉冲个数影响系数AFw的变化规律相一致，仅给出试验模型桥墩顶位移响应的脉冲个数影响系数数据，见表3.

由表3可知，模型桥墩底位移响应速度脉冲个数影响系数AFw均大于1.5.单脉冲近断层地震作用下，模型桥主梁位移响应脉冲个数影响系数为2.14～5.19；双脉冲近断层地震作用下，模型桥主梁位移响应脉冲个数影响系数为1.46～2.08，多脉冲近断层地震作用下，模型桥主梁位移响应脉冲个数影响系数为2.11～5.54；对于本文试验模型桥，速度脉冲个数对边墩(1#、5#墩)的影响最显著，墩顶位移脉冲个数影响系数最大.此外，对比y向输入和x向输入可知，对于边墩，地震动横桥向输入下的速度脉冲个数影响系数大于纵桥向输入时，而对于中墩(2#、3#墩)却有着相反的规律，这主要是因为边墩墩顶支座为单向(纵向)滑动支座.

表3 墩顶位移脉冲个数影响系数AFw

3 结论

1)高墩连续刚构桥纵向和横向一阶模态阵型频率均较小，地震动作用下结构的地震响应主要以低频振动为主.

2)近断层脉冲型地震动作用下模型桥的地震响应均是远场地震动作用下模型桥地震响应的2倍以上；近断层无脉冲地震动作用下模型桥的动力响应约为远场地震动作用下模型桥的动力响应的0.76～0.95，速度脉冲效应是造成此差异的主要因素.

3)近断层脉冲型地震作用下，结构的峰值响应发生在结构地震响应时程的前段，即速度脉冲到达时刻，速度脉冲效应使高柔的高墩连续刚构桥主梁瞬时产生较大位移响应(最大值为54.8 mm)，极易引起主梁端部碰撞和支座破坏，在抗震设计上应引起重视.

4)速度脉冲个数对高墩连续刚构桥地震响应的影响显著，墩顶位移响应脉冲个数影响系数AFw为1.46～5.54.其中，多脉冲型地震动作用下模型桥的动力响应最大，单脉冲型地震动作用下模型桥的动力响应次之，而双脉冲型地震动引起的结构响应相对较小.