近斷層脈沖方向性對大跨斜拉橋地震響應(yīng)的影響

近斷層脈沖方向性對大跨斜拉橋地震響應(yīng)的影響陳志強;鄭史雄;陳志偉;洪成晶;李晰【摘要】由于近斷層地震動脈沖特性在不同方向上差異明顯,以集集地震中典型脈沖地震記錄為例,比較地震動峰值加速度PGA和峰值速度PGV在各個方向上的變異性;基于連續(xù)小波變化識別出最強脈沖能量所對應(yīng)的方向,比較最強脈沖方向上地震動與初始地震記錄的2條水平分量脈沖性的差異;以某大跨斜拉橋為例,研究近斷層地震動脈沖方向性效應(yīng)對其地震響應(yīng)的影響.研究結(jié)果表明:近斷層脈沖地震動的峰值加速度PGA和峰值速度PGV在各個方向上差異明顯，通過旋轉(zhuǎn)變換以后PGA和PGV的變異性分別達到30%和70%;基于連續(xù)小波變換識別出的最強脈沖方向與PGV最大值所在的方向基本重合，最強脈沖方向上地震動的反應(yīng)譜和脈沖幅值都要明顯強與實測地震動記錄的2條水平分量;最強脈沖方向上地震動作用下大跨斜拉橋的地震響應(yīng)明顯要大于實測地震記錄2條水平分量作用下的結(jié)果,在近斷層地區(qū)的大跨斜拉橋抗震分析時應(yīng)該以最強脈沖方向上的地震動作為輸入,如果直接采用實測地震記錄水平分量作為地震輸入則將低估橋塔和主梁的位移響應(yīng)可達到45.4%和40.2%.期刊名稱】《鐵道科學與工程學報》年(卷),期】2018(015)012【總頁數(shù)】8頁(P3127-3134)關(guān)鍵詞】脈沖方向性;連續(xù)小波變換;大跨斜拉橋;地震響應(yīng)作者】陳志強;鄭史雄;陳志偉;洪成晶;李晰【作者單位】西南交通大學土木工程學院,四川成都610031;西南交通大學土木工程學院,四川成都610031;西南交通大學土木工程學院,四川成都610031;西南交通大學土木工程學院,四川成都610031;西南交通大學土木工程學院,四川成都610031【正文語種】中文【中圖分類】U442.5大跨度斜拉橋由于其造型美觀，跨越能力較強，近年來在公路和鐵路的跨江、跨海工程中都得到了較多的運用。主跨1088m的蘇通長江大橋、杭州灣跨海大橋中跨度448m的主橋都已經(jīng)建成通車，主跨1092m滬-通長江大橋、主跨518m的公安長江大橋等一大批大跨度斜拉橋也正在如火如荼建設(shè)當中。對于這類大跨度斜拉橋而言，由于其跨度較大，剛度較低，結(jié)構(gòu)自振周期較長，長周期地震作用對其影響尤為突出。近斷層脈沖地震動是最為典型的一類長周期地震動。由于滑沖效應(yīng)和前場方向性效應(yīng)的影響，其速度時程中包含有明顯的長周期、高幅值脈沖［1］。這種速度脈沖會對地震動中長周期段的反應(yīng)譜產(chǎn)生顯著的放大效應(yīng)［2］，特別是當結(jié)構(gòu)的自振周期和脈沖周期Tp接近時，結(jié)構(gòu)的地震需求可能會急劇的增大。對于大跨度斜拉橋這種特殊結(jié)構(gòu)，由于其自振周期較長，對結(jié)構(gòu)其控制作用的振型較多，近斷層脈沖地震記錄中所含的長周期、高幅值脈沖更容易使其產(chǎn)生共振效應(yīng)，從而對其地震響應(yīng)產(chǎn)生較為不利的影響。近年來已經(jīng)有不少學者進行了相關(guān)研究。徐艷等［3］通過等效模態(tài)法將斜拉橋簡化為單自由度體系，提出了脈沖地震作用下斜拉橋地震響應(yīng)的簡化計算方法；LI等［4］提出了近斷層脈沖地震動分解-疊加的合成方法，然后以蘇通大橋為例，研究了滑沖效應(yīng)和前場方向性效應(yīng)對產(chǎn)生的2類脈沖地震動對大跨度斜拉橋地震響應(yīng)的影響；李帥等［5］以集集地震為例，根據(jù)地震動測站位置與斷層的空間位置關(guān)系，將地震動分為破裂前方區(qū)域(FD)、破裂區(qū)域(MD)和破裂后方區(qū)域(BD)，研究了近斷層地震動的空間分布對斜拉橋地震響應(yīng)的影響；Shrestha［6］研究了尼泊爾近斷層區(qū)域內(nèi)的Karnali斜拉橋的地震響應(yīng)，詳細研究了近斷層豎向地震動對其地震響應(yīng)的影響。以上成果雖然考慮到了近斷層地震動速度脈沖效應(yīng)的影響，在一定程度上豐富了近斷層地區(qū)大跨度斜拉橋抗震設(shè)計理論，但是目前的研究都沒有考慮到近斷層脈沖地震動的方向性。然而，常志旺［7］的研究表明近斷層脈沖地震動存在顯著的方向性，脈沖型地震動的兩條水平分量經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后脈沖特性可能會消失，非脈沖地震動的兩條水平分量經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后也有可能變?yōu)槊}沖型地震動。YANG等［8啲研究表明近斷層最強脈沖方向上地震動的反應(yīng)譜和能量都要明顯大于垂直于斷層和平行于斷層2個方向的地震動分量。鑒于此，本文以臺灣集集地震典型脈沖地震記錄為例，基于連續(xù)小波變換［9］確定其最強脈沖方向，比較各個方向上地震動脈沖特性的差異，最后以某一大跨度斜拉橋為例，詳細研究近斷層脈沖地震動的方向性對大跨度斜拉橋地震響應(yīng)的影響，從而為近斷層地區(qū)大跨度斜拉橋的抗震設(shè)計提供參考。對于1組實測的地震記錄，其包含2條水平分量和1條豎直分量。在進行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析時，通常以實測地震動的最大水平分量最為地震動輸入。由于地震發(fā)生時地震記錄測站和斷層空間位置的隨機性，實測的2條水平分量并不一定是該位置處所受到的最強地震作用。為了研究地震動的方向性，通?？梢圆捎闷叫兴倪呅畏▌t對地震動的2條水平分量進行旋轉(zhuǎn)變換，從而得到不同方向上的地震動水平分量，其計算式為［7］式中：6為2條原始水平地震記錄的旋轉(zhuǎn)角度；和為原始地震記錄2條水平分量;為旋轉(zhuǎn)角6對應(yīng)的地震動水平分量。對于同一個測站的2條水平分量，通過不斷變化6的值就可以獲得任意方向上的地震記錄，從而研究地震動的方向性。為了分析近斷層脈沖地震動的方向性，這里以臺灣集集地震中的典型脈沖地震記錄—TCU036測站地震記錄為例，將其東西向和南北向2條水平分量按照式(1)進行旋轉(zhuǎn)變換，進而獲得不同方向上的地震記錄。圖1給出了不同方向上地震動的峰值加速度PGA和峰值速度PGV的分布圖。從圖1可以看出，近斷層脈沖地震動水平分量的峰值加速度和峰值速度在各個方向上存在顯著的差異，特別是對于峰值速度PGV而言，其在-30°附近存在一個關(guān)鍵方向(Criticalorientation)，該關(guān)鍵方向上峰值速度達到了最大值64cm/s，而在35。附近峰值速度PGV達到了最小值37cm/s，峰值速度的最大值和最小值之比。對于峰值加速度而言，雖然沒有存在一個顯著的關(guān)鍵方向使得其達到最大值，但是在60。附近達到其最小值105gal，。設(shè)想一種最不利情況，若實測的地震記錄恰好是35。方向上的地震記錄，若將其運用于速度敏感型結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析，由于該類結(jié)構(gòu)較柔，其地震響應(yīng)有峰值速度PGV控制，此時將低估結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)達到70%。在實際的地震作用下，結(jié)構(gòu)的地震需求遠大于結(jié)構(gòu)的抗震能力，結(jié)構(gòu)將發(fā)生嚴重的破壞。對于近斷層脈沖地震動而言，不僅其峰值參數(shù)在各個方向差異顯著，而且其脈沖特性在各個方向也有顯著變化［9］，同一個測站的2條水平地震記錄經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后，其脈沖性可能消失，轉(zhuǎn)化為非脈沖地震動。這在過去的多次研究中都得到了證實［7,10-12］。為了獲得脈沖特性最為顯著的方向(即最強脈沖方向),Shahi等［10］基于連續(xù)小波變換提出了一種確定最強脈沖方向的高效方法，其首先對地震動的2條水平分量進行連續(xù)小波變換，然后將2條水平分量的小波系數(shù)進行線性組合，由此得到任意方向的地震動小波系數(shù)，最后以小波系數(shù)最大的方向作為地震動的最強脈沖方向。任意時刻t時的小波基函數(shù)為式中：表示小波母函數(shù)；t表示時間；表示伸縮變換和平移變換后的小波函數(shù)。任意方向0對應(yīng)的速度時程由式(1)確定，其在相應(yīng)位置l(Location)和尺度s(Scale)下的小波系數(shù)采用如下積分確定將式(1)代入，可得其中：P為最大小波系數(shù)對應(yīng)的方向；和分別為初始2條地震記錄水平分量的連續(xù)小波系數(shù)，即由于P為所有方向中最大小波系數(shù)對應(yīng)的方向，即最強脈沖方向，為了對其進行確定只需要找出和2個小波系數(shù)的平方和最大值所在的行和列的位置。此時，EW和SN2個方向地震記錄的連續(xù)小波系數(shù)cl和c2分別為由此可計算最強脈沖方向P最強脈沖方向P確定后，將EW和NS2條水平地震記錄按照式(1)進行旋轉(zhuǎn)變換，即可得到最強脈沖方向上的地震記錄。這里以集集地震TCU036測站為例，按照式(2)~(9)求得其最強脈沖方向P為-40.92°，最強脈沖方向與峰值加速度和峰值速度的分布關(guān)系如圖1所示。東西向、南北向以及最強脈沖方向3個方向上地震記錄的速度時程和按照小波分析［12］提取的脈沖時程如圖2所示，加速度反應(yīng)譜(阻尼比E=5%)如圖3所示。圖1中可以看出，按照連續(xù)小波變換確定的最強脈沖方向上地震動的峰值加速度雖然較大，但并不是PGA最大值所在方向。該最強脈沖方向與峰值速度PGV最大值所在的方向基本重合，這主要是由于最強脈沖方向的確定就是按照地震動速度時程確定的，按照該方法確定最強脈沖時程是綜合考慮了各個方向上地震動峰值速度PGV、脈沖周期以及脈沖持時等因素的影響。因此，按照連續(xù)小波變換確定的最強脈沖方向與峰值速度PGV最大值所在的方向基本重合。圖2中可以看出，雖然這3條地震水平分量都為脈沖型地震記錄，然而其脈沖幅值Vp和脈沖周期Tp［12］存在顯著差異，與東西向、南北向地震記錄相比，最強脈沖方向上地震動的脈沖幅值也明顯要更大，脈沖周期明顯更短，能量更為集中。由此說明了相比于原始的2條地震動水平分量，最強脈沖方向上地震動的脈沖特性將更為顯著。此外，從圖3中可以看出，與東西向和南北向2條原始水平地震記錄相比，最強脈沖方向上地震動反應(yīng)譜不僅在1.6~6.5s的長周期范圍內(nèi)要更大，而且在0~1s的高頻段，最強脈沖方向上地震動反應(yīng)譜也更大。只有在1.3s附近的局部位置處，其才略微減小，這與YANG等［8］分析的結(jié)果完全一致。對于大部分工程結(jié)構(gòu)而言，其自振周期都位于0~6.5s的頻段內(nèi)，因此在最強脈沖地震激勵下，橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)可能會明顯增大。以某雙塔雙索面特大跨斜拉橋為工程依托，其跨徑布置為51+91+300+91+51m，橋梁全長584m（含兩端主橋梁縫），邊、中跨之比為0.473。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁，材料為C55混凝土，截面類型為單箱單室等高截面，截面全寬13m，中心處梁高4m。橋塔采用鉆石型塔，塔高120.5m，梁頂以上塔高75m，材料為C50混凝土。斜拉索采用抗拉標準強度1670MPa平行鋼絲拉索，全橋共有72對（144根），索面呈扇形布置。支撐體系采用半漂浮體系，即主梁在塔上設(shè)置雙向滑動球形鋼支座，墩上設(shè)置單向滑動球形鋼支座，塔梁間設(shè)置縱向阻尼器。整個橋梁結(jié)構(gòu)布置如圖4所示?；贏NSYS通用有限元軟件建立全橋有限元模型進行動力分析，主梁和橋塔采用BEAM188單元模擬，邊墩和輔助墩采用BEAM44單元進行模擬，拉索采用LINK8單元進行模擬。主梁與主塔和輔助墩之間的支座采用節(jié)點耦合來實現(xiàn)，塔底和墩底均為固結(jié)。橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示?；贏NSYS中的Modal模塊，采用Lanczos方法計算該斜拉橋的前50階模態(tài)的振型和頻率。相對于連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋而言，大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)體系較柔，自振周期較長，高階模態(tài)的參與系數(shù)較大。限于文章篇幅所限，表1僅列出了前5階模態(tài)的周期、頻率和振型。從表1可知，該算例斜拉橋1階模態(tài)為全橋縱飄，自振周期為5.99s，屬于長周期結(jié)構(gòu)，結(jié)合圖3中的地震動反應(yīng)譜，1階模態(tài)剛好落在脈沖周期附近，近斷層地震動的速度脈沖效應(yīng)將對其地震響應(yīng)產(chǎn)生明顯的影響。為了研究近斷層脈沖方向性效應(yīng)對大跨度斜拉橋地震響應(yīng)的影響，將圖3中的東西方向(EW)、南北方向(NS)和最強脈沖方向(StrongestPulseOrientation,SPO)上的地震記錄分別作用于該算例橋梁數(shù)值模型，通過時程分析獲得橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。由于各個方向上地震動的峰值參數(shù)都不同，為了保持各個方向上地震動的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，這里均采用原始地震記錄，不做調(diào)幅處理。另外，為了量化近斷層脈沖方向性對大跨度斜拉橋地震響應(yīng)的影響程度，本文定義了脈沖方向性對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的放大系數(shù)Fd其中：為最強脈沖方向上地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)峰值；REW和RNS分別為初始地震記錄東西方向和南北方向地震分量作用下橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)峰值。Fd越大，表明近斷層地震動脈沖方向性對橋梁地震響應(yīng)的影響也就越大。圖6~7分別給出了上述3條地震作用下橋塔的位移和剪力地震響應(yīng)的峰值包絡(luò)曲線，圖8給出了近斷層地震動脈沖方向性對橋塔地震響應(yīng)的放大系數(shù)Fd。從圖6~8中可以看出橋塔的最大位移和最大剪力分別發(fā)生在塔頂和塔底，近斷層地震動脈沖方向性對大跨度斜拉橋的地震響應(yīng)有著明顯的放大作用，以塔頂位移為例，東西方向、南北方向和最強脈沖方向地震作用下塔頂位移分別為137.0，162.4和199.2cm，與東西方向和南北方向的地震記錄相比，最強脈沖方向上地震作用下塔頂位移分別增大了45.4%和22.7%。同樣，由圖7可知，最強脈沖方向地震作用下橋塔的縱向剪力增長也非常明顯，與東西方向和南北方向的地震記錄相比，最強脈沖方向上地震作用下塔底剪力分別增大了27.8%和13.5%。由此說明了近斷層脈沖方向性對大跨度斜拉橋橋塔地震響應(yīng)有著顯著的影響，最強脈沖方向地震作用下，橋塔地震響應(yīng)明顯要大于實際記錄到的2條水平分量。此外，值得注意的是隨著橋塔從塔頂?shù)剿赘叨鹊臏p小，橋塔縱向剪力逐漸增大，但是在距離塔底87.26m處突然減小了，這主要是由于該算例橋梁采用的是鉆石型橋塔，在距塔底87.26m處，橋塔分為了左右兩肢，該位置以上的橋塔承受的剪力是整個橋塔產(chǎn)生的剪力，而從距離塔底5~87.26m這一段剪力僅為橋塔一肢的剪力，僅相當于整個橋塔所受剪力的一半，因此橋塔剪力在距塔底87.26m處發(fā)生了突變。圖9給出了東西方向、南北方向和最強脈沖方向3條地震作用下該算例橋梁主梁豎向位移峰值響應(yīng)包絡(luò)曲線，圖10給出了近斷層地震動脈沖方向性對主梁豎向位移響應(yīng)的放大系數(shù)。從圖9~10中可以看出，上述3條地震作用下主梁地震響應(yīng)差異明顯。類似于橋塔的地震響應(yīng)，最強脈沖方向地震作用下主梁的豎向位移明顯要大于東西方向和南北方向地震記錄作用下主梁的位移響應(yīng)。以響應(yīng)最大的1/4中跨為例，相比于東西方向和南北方向的地震記錄作用，最強脈沖方向上地震作用下1/4中跨主梁的豎向位移分別增大了40.23%和13.22%。同樣，在其他位置處，最強脈沖方向上地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也明顯要更大。需要特別指出的是，不論東西方向、南北方向還是最強脈沖方向上主梁豎向位移最大值都發(fā)生在中跨跨中與橋塔之間，而中跨跨中的位移反而更小。這主要是由于該算例橋梁1階正對稱豎彎振型對應(yīng)的周期為2.5s，而1階反對稱豎彎對應(yīng)的周期為1.64s，1階正對稱豎彎所對應(yīng)的周期剛好為高頻地震動與長周期脈沖對反應(yīng)譜產(chǎn)生放大效應(yīng)的周期段之間，該位置處反應(yīng)譜值較小，而1階反對稱豎彎對應(yīng)的周期與高頻段更為接近，該周期處地震動的反應(yīng)譜的譜值更大，橋梁結(jié)構(gòu)的1階反對稱豎彎振型被激起，因此導(dǎo)致了中跨的跨中位移反而比跨中與橋塔之間的主梁的豎向位移更小。綜上所述，可以看出近斷層脈沖方向性對大跨度斜拉橋地震響應(yīng)有著顯著的影響，最強脈沖方向上地震動作用下，橋梁的地震響應(yīng)明顯要大于原始地震記錄的2條水平分量作用下的結(jié)果。在橋梁地震響應(yīng)分析時應(yīng)該以最強脈沖方向上的地震分量作為地震輸入，如果直接以實測地震記錄的2條水平分量最為地震輸入可能嚴重的低估橋梁結(jié)構(gòu)的地震需求，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計偏于危險。1）近斷層脈沖地震的峰值參數(shù)在各個方向上差異顯著，1次地震中，地震動測站記錄到的2條水平分量經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后峰值加速度可能相差30%，峰值速度可能相差70%。通過連續(xù)小波變換識別處的最強脈沖方向與峰值速度PGV所在的方向基本重合，最強脈沖方向上地震動的脈沖幅值、脈沖指標以及地震動反應(yīng)譜都要明顯高于實測地震動的2條水平分量。近斷層地震動脈沖方向性對大跨度斜拉橋地震響應(yīng)有重要影響，最強脈沖方向上地震動輸入時，大跨度斜拉橋地震響應(yīng)明顯增大，在其抗震分析時應(yīng)該以最強脈沖方向上地震動作為依據(jù)，否則將低估橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)?！鞠嚓P(guān)文獻】KalkanE,KunnathSK.Effectsofflingstepandforwarddirectivityonseismicresponseofbuildings[J].EarthquakeSpectra,2006,22(2):367-390.SomervillePG,SmithNF,GravesRW,etal.Modificationofempiricalstronggroundmotionattenuationrelationstoincludetheamplitudeanddurationeffectsofrupturedirectivity[J].SeismologicalResearchLetters,1997,68(1):199-222.徐艷，黃永福,李建中?脈沖型地震作用下斜拉橋縱向響應(yīng)的簡化計算[J].華南理工大學學報(自然科學版),2015,43(2):41-47.XUYan,HUANGYongfu,LIJianzhong.Simplifiedcalculationoflongitudinalseismicresponseofcable-stayedbridgessubjectedtopulsedgroundmotions[J].JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition),2015,43(2):41-47.LIS,ZHANGF,WANGJ,etal.Effectsofnear-faultmotionsandartificialpulse-typegroundmotionsonsuper-spancable-stayedbridgesystems[J].JournalofBridgeEngineering,2016,22(3):04016128.⑸ 李帥，王景全,顏曉偉，等.近斷層地震動空間分布特征對斜拉橋地震響應(yīng)影響[J].土木工程學報,2016,49(6):94-104.LIShuai,WANGJingquan,YANXiaowei,etal.Influenceofspatialdistributioncharacteristicsofnear-faultgroundmotionsonseismicresponsesofcable-stayedbridges[J].ChinaCivilEngineeringJournal,2016,49(6):94-104.ShresthaB.Seismicresponseoflongspancable-stayedbridgetonear-faultverticalgroundmotions[J].KSCEJournalofCivilEngineering,2015,19(1):180-187.常志旺?近場脈沖型地震動的量化識別及特性研究[D]?哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2014.CHANGZhiwang.Quantitativeidentificationandthecharacteristicsofnear-faultpulselikegroundmotions[D].Harbin:HarbinInstituteofTec