基于近斷層地震響應(yīng)的鐵路簡支梁橋地震響應(yīng)分析

基于近斷層地震響應(yīng)的鐵路簡支梁橋地震響應(yīng)分析

1fps的近斷層地震動(dòng)反應(yīng)及其隔震效果的意義地震是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。幾十年來，世界上多次發(fā)生大地震，給災(zāi)區(qū)國家和人民帶來了不同程度的生命和財(cái)產(chǎn)損失，并造成了建筑物的嚴(yán)重受損。特別是當(dāng)受影響區(qū)域位于附近的危險(xiǎn)地震區(qū)域時(shí)，由于巨大的地震能量，該區(qū)域受到的破壞程度比較嚴(yán)重。世界范圍內(nèi),近斷層地震動(dòng)的特征、工程結(jié)構(gòu)的近斷層地震反應(yīng)及相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)受到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視[1~3]。我國疆域廣闊,是地震多發(fā)國家,隨著國家建設(shè)的逐步發(fā)展,部分橋梁結(jié)構(gòu)將不可避免地毗鄰甚至跨越發(fā)震斷層,抗震設(shè)防問題對(duì)于這些結(jié)構(gòu)顯得尤為重要,迫切需要得到解決。摩擦擺支座(FPS)是一種常用的減隔震支座,在美國、日本等地已得到了大量的應(yīng)用且效果良好,國內(nèi)也有越來越多的橋梁結(jié)構(gòu)采用FPS進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)。國內(nèi)、外學(xué)者對(duì)采用FPS的隔震技術(shù)進(jìn)行了較多的研究,但針對(duì)近斷層地震作用下FPS隔震橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)及其隔震效果的研究并不多,而近斷層地震很有可能對(duì)隔震橋梁的正常工作產(chǎn)生不利的影響。因此,對(duì)近斷層地震動(dòng)作用下的FPS隔震橋梁地震響應(yīng)及FPS的隔震效果進(jìn)行研究很有必要。本文以采用摩擦擺支座(FPS)隔震的鐵路簡支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)其在順橋向近斷層地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化規(guī)律及隔震效果進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比分析。2結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析模型2.1fps隔震結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)近斷層地震反應(yīng)摩擦擺系統(tǒng)(支座)[簡稱FPS(FPB)]是Zayas等人于1985年在美國加州大學(xué)伯克利分校對(duì)傳統(tǒng)平面滑移系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、研發(fā)得到的[4~9],其構(gòu)造示意如圖1所示。通過滑塊的受力平衡條件和支座幾何關(guān)系可以得到FPS支座的簡化水平剪力~位移關(guān)系,即:式中,F為支座水平力;W為支座承受的荷載;Reff為等效曲率半徑;u為支座水平位移;Ff為滑塊與支座滑面間的摩擦力。由式(1)可推知FPS隔震結(jié)構(gòu)的周期為:由式(2)可知,隔震結(jié)構(gòu)的周期主要由FPS支座的等效曲率半徑?jīng)Q定。式(1)也描述了FPS支座的滯回性能,由式(1)可得FPS支座的力~位移滯回關(guān)系,如圖2所示。由圖2可以看出FPS支座的力~位移滯回關(guān)系明確,支座耗能效果良好。為考察等效曲率半徑不同時(shí)FPS隔震橋梁的近斷層地震反應(yīng),選取了4種不同等效曲率半徑的FPS支座,分別進(jìn)行近斷層地震響應(yīng)的計(jì)算,同時(shí)保持支座最大摩擦系數(shù)μmax、最小摩擦系數(shù)μmin和摩擦系數(shù)變化系數(shù)α不變。FPS支座的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。2.2建模及分析過程本文以矮墩FPS隔震簡支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,計(jì)算模型采用跨徑24m的FPS隔震鐵路簡支梁橋,其梁重為350t,橋墩為高10m的圓端形橋墩。計(jì)算分析時(shí)將該隔震簡支梁橋簡化為單墩模型(見圖3),僅考慮地震波順橋向加載的情況。FPS支座常應(yīng)用于地質(zhì)條件較好的情況,故模型中未考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用,橋墩墩底按固結(jié)處理。采用有限元分析程序SAP2000進(jìn)行建模計(jì)算分析,梁體簡化為集中質(zhì)量,橋墩采用梁單元模擬,FPS支座則采用滑動(dòng)摩擦單元模擬。為便于進(jìn)行對(duì)比分析,假定文中各條近斷層地震波作用過程中,隔震后橋墩均保持線彈性。3u3000近斷層強(qiáng)震記錄特性近斷層地震動(dòng)作為近年來抗震工程領(lǐng)域的常見術(shù)語,至今沒有一致的定義。大部分學(xué)者將距斷層破裂面20km范圍內(nèi)的區(qū)域看作近斷層區(qū)域;也有學(xué)者指出,地震波峰值速度與地震波峰值加速度之比VPG/APG>0.2s時(shí),近斷層地震對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)較為明顯。圖4給出了1999年臺(tái)灣Chichi地震臺(tái)站TCU052典型近斷層強(qiáng)震記錄W-E分量的加速度和速度時(shí)程曲線。由圖4可知,近斷層地震動(dòng)具有長周期的速度脈沖,與其它類型地震動(dòng)有著明顯的不同。本文研究對(duì)象的橋梁所處場地為Ⅱ類場地,抗震設(shè)防烈度為8度,選取地震激勵(lì)時(shí),參考國內(nèi)、外學(xué)者對(duì)近斷層地震動(dòng)的研究,在幾次典型大地震的近斷層強(qiáng)震記錄中,按場地條件相近的要求,選取了9條典型的近斷層強(qiáng)震記錄作為激勵(lì),其中臺(tái)站到斷層距離為0.24~17km,VPG/APG變化范圍則為0.07~0.58s。近斷層強(qiáng)震記錄特性如表2所示,表2中M為地震震級(jí),APG為地震波峰值加速度,VPG為地震波峰值速度。根據(jù)設(shè)防烈度要求,計(jì)算分析時(shí)將各條地震波峰值按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111-2006)中關(guān)于8度罕遇地震的規(guī)定均調(diào)整為0.38g輸入,本文僅考慮近斷層地震波沿順橋向加載的情況。4計(jì)算結(jié)果和分析4.1fps無斷層效應(yīng)分析不少學(xué)者認(rèn)為,地震波峰值速度與地震波峰值加速度之比(VPG/APG)是識(shí)別近斷層地震效應(yīng)的主要特征,故在此將9條地震波的上述參數(shù)作為橫坐標(biāo),以其對(duì)應(yīng)的隔震橋梁順橋向響應(yīng)作為縱坐標(biāo),對(duì)VPG/APG與隔震橋梁近斷層地震響應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行研究。各地震波的VPG/APG比值如表3所示。FPS支座順橋向水平位移、水平剪力隨VPG/APG的變化情況分別如圖5、圖6所示。由圖5和圖6可知,不同等效曲率半徑情況下,支座順橋向水平位移和水平剪力隨VPG/APG的變化趨勢均較為接近。當(dāng)VPG/APG∈(0.07s,0.58s)時(shí),FPS支座水平位移和水平剪力出現(xiàn)了2次峰值,分別在VPG/APG=0.1s、0.45s附近,可見僅憑借VPG/APG的大小并不足以判別近斷層效應(yīng)對(duì)FPS隔震橋梁的作用。還可看出,同一條近斷層地震作用下,FPS支座順橋向水平位移隨著等效曲率半徑的增大而增大,支座順橋向水平剪力則隨著等效曲率半徑的增大而減小,這與非近斷層地震作用下的響應(yīng)變化規(guī)律相同。另外注意到,部分工況中的支座順橋向剪力已經(jīng)達(dá)到甚至超過了梁重的0.38倍,說明在近斷層地震作用下,即使使用了FPS支座,仍然有可能出現(xiàn)梁體加速度放大的現(xiàn)象。4.2fps發(fā)生的近斷層地震響應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)的目的是減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),而上述分析中部分工況的隔震梁體加速度仍然出現(xiàn)了放大現(xiàn)象,故本節(jié)計(jì)算了前述橋梁模型在未隔震時(shí)的近斷層地震響應(yīng),并與采用FPS支座隔震后的地震響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析,考察FPS支座的隔震效果。未作特殊說明時(shí),本節(jié)所述地震響應(yīng)均為順橋向地震響應(yīng)。4.2.1現(xiàn)代地震波作用下墩底剪力和彎矩隔震率為便于陳述,定義隔震率為未隔震橋梁地震響應(yīng)、隔震橋梁地震響應(yīng)之間的差值與未隔震地震響應(yīng)的比值,以百分率表示,即:式中,RI為隔震率;Vn和Vi分別為未隔震和隔震時(shí)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)值。表4、表5分別給出了采用不同等效曲率半徑FPS支座時(shí)墩底水平剪力和墩底彎矩的隔震率。由表4和表5可知,在9條近斷層地震動(dòng)作用下FPS支座仍然發(fā)揮了一定的隔震作用,但不同地震波作用下隔震率相差較大。TCU102、Kobe地震波作用下,墩底剪力和彎矩隔震率均在50%以下;TCU075、LomaPrieta地震波作用下,墩底剪力和彎矩隔震率則分別在60%和70%以上。另外,除了LomaPrieta、Kobe、Landers地震波以外,其它6條地震作用下隔震率基本上隨著FPS支座等效曲率半徑的增大而有所提高,由此可推斷,大部分情況下增大FPS等效曲率半徑有利于隔震率的提高。4.2.2fps支段位移時(shí)程圖7給出了未隔震時(shí)以及采用不同等效曲率半徑FPS支座時(shí)在Chichi波(TCU052)作用下的梁體位移時(shí)程曲線,由于未隔震時(shí)梁體位移遠(yuǎn)小于隔震后梁體位移,故在圖7(a)中單獨(dú)給出未隔震時(shí)的梁體位移時(shí)程。由圖7可看出,隔震后梁體位移遠(yuǎn)大于未隔震時(shí)梁體位移,且隔震后梁體的振動(dòng)周期與未隔震時(shí)相比有顯著的延長;FPS支座等效曲率半徑不同時(shí)梁體位移時(shí)程曲線形狀基本相同,但隨著Reff由0.5m增至4.0m時(shí),梁體位移峰值呈明顯增大趨勢。可見,過大的等效曲率半徑不利于隔震時(shí)梁體位移的控制。圖8給出了未隔震時(shí)以及采用不同等效曲率半徑FPS支座時(shí)在Chichi波(TCU052)作用下的墩頂位移時(shí)程曲線。由圖8可以看出,FPS隔震后墩頂處位移時(shí)程曲線形狀與未隔震時(shí)相比變化不大,但隔震后墩頂位移峰值與未隔震時(shí)相比有明顯的減小,且隨著FPS支座等效曲率半徑由0.5m增至4.0m,墩頂位移峰值的減小程度有所增加。由于計(jì)算時(shí)對(duì)于隔震前、后的模型均假設(shè)橋墩始終處于線彈性狀態(tài),故此時(shí)墩頂位移的減小也間接體現(xiàn)了采用FPS支座隔震對(duì)橋墩的有效保護(hù)。5fps隔震作用本文以FPS隔震鐵路簡支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)其近斷層地震響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析,初步探討了FPS支座在順橋向近斷層地震作用下的隔震效果,得到了以下主要結(jié)論:(1)僅憑借VPG/APG的大小并不足以判別近斷層效應(yīng)對(duì)FPS隔震簡支梁橋的作用程度。近斷層地震作用下,FPS支座順橋向水平位移隨著等效曲率半徑的增大而增大,支