《基于振動臺試驗的剛構橋近斷層效應動力響應分析》論文發表期刊：《工業建筑》；發表周期：2021年01期

《基于振動臺試驗的剛構橋近斷層效應動力響應分析》論文作者信息：閆曉宇，女，1984 年出生，博士。

　　摘要：對1：10比例三跨剛構橋模型進行考慮多點激勵的縮尺模型振動臺臺陣試驗，在此基礎上建立模型橋的有限元模型，選取了10條典型的近斷層地震動和10條遠場地震動，對其作用下剛構橋的動力響應進行對比分析。研究表明：地震動空間效應對橋墩變形、受力均為不利因素，其影響程度與墩梁約束形式、波速的取值密切相關;與遠場地震動相比，近斷層地震動(峰值速度與峰值加速度的比值apalapc)較大;考慮近斷層效應后，橋墩變形、受力均發生增長，主梁跨中彎矩與主梁水平位移也相繼增大。因此，近斷層效應、地震動空間效應在抗震設計中均應該予以考慮，使分析結果更準確。

　　關鍵詞：剛構橋;多點激勵;振動臺陣試驗;動力響應;近斷層地震

　　Abstract: A shaking tables test considering multi-support excitation was conducted on the 1: 10 scale three-span rigid-framed bridge. Taking the results of the test as a base, the finite element model of the bridge was established.Ten typical near fault ground motions were selected for analysis. Then, the comparative analysis of the dynamicresponses between the far-field ground motions and near-fault ground motions was completed. The research showed that the spatial effect of ground motion was unfavorable to the deformation and stress of piers, and its influence wasclosely related to the constraint forms of piers and girders and the wave velocity. Compared with the far-field ground motion, the apay lapca of the near-fault ground motion was larger. Considering the near-fault effect, the deformation and stress of the piers increased, and the mid-span bending moment and horizontal displacement of the main girders also increased. Therefore, near-fault effect and ground motion spatial effect should be considered in seismic design to make the analysis results more accurate

　　Keywords: rigid-framed bridge; multi-support excitation; shaking table test; dynamic response; near-fault ground motion

　　為了適應我國西北黃土深壑和西南山區等特殊地質、地形條件，大跨度剛構橋被廣泛應用。不同墩高的剛構橋抗震性能差別較大，屬于典型的非規則橋梁，且當跨度較大時，地震動空間效應不可忽略。Bonganoff等的研究 發現，應考慮地震動傳播的時滯性對大跨度結構的影響。此后，地震動場效應得到越來越多國內外學者的重視，并成為橋梁結構抗震領域的熱點問題之一。研究2-3表明：大跨度橋梁結構地震響應與輸入地震動的特性及具體結構形式緊密相關;多點激勵對其影響不可忽略，在抗震分析時應加以考慮;橋梁結構各部位對多點激勵的敏感程度因結構形式不同而差異較大。

　　西南山區屬于地震頻發地區，如2008年的汶川地震給當地造成了極大的破壞，百花大橋就是在該次地震中損毀的，有研究結果表明除了橋梁自身因素外，近斷層效應是導致其失效的誘因之一。因此，有必要對近斷層地震作用下剛構橋的抗震性能做深入研究.BERTER等最先注意到近斷層地震動中所含的脈沖對建筑結構的影響，此后關于近斷層地震動的研究引起了學者們的普遍關注。現有研究成果[3-12]表明：近斷層地震動對結構地震響應的影響在各國抗震設計標準中均未有明確規定。與遠場地震相比，近斷層地震動作用下的建筑結構，基底剪力、層間位移更大，結構的變形需求更大。近斷層地震動將影響橋梁結構損傷發生的位置和類型。總的來說，近斷層地震動作用機理較為復雜，現有研究結果多數為定性研究，想要得到定量結果，并應用于抗震設計標準，還需要大量的理論分析和試驗研究結果作為支撐。

　　鑒于此，本文以某座高墩大跨度剛構橋為研究背景，對1：10比例的3跨剛構橋模型進行多點激勵的縮尺模型振動臺臺陣試驗，在此基礎上建立模型橋有限元模型，選取各10條典型的近斷層和遠場地震動進行地震響應加載及有限元結果對比分析，以期得出對該類橋梁抗震設計有參考價值的結論。

　　1縮尺模型振動臺試驗

　　試驗原型為一座3跨高墩大跨鋼筋混凝土剛構橋，橋跨布置為35 m+60 m +35 m。主橋上部結構為單箱單室變截面鋼筋混凝土箱梁，下部結構為空心薄壁矩形域。綜合考慮實驗室試驗場地條件、1

　　mx1m振動臺臺陣承載能力等，將試驗模型幾何縮尺比例確定為1：10，如圖1所示。表1為模型物理量相似關系。

　　試驗中選取三條天然地震動記錄，分別為El Centro波(1940年美國加州)、汶川波(2008年中國汶川)及北京波(1976年中國唐山)。按照8度設防，試驗地震峰值加速度aca調整為1.1g.地震動空間差動效應主要表現為行波效應、局部場地效應、波的衰減效應和部分相干效應。試驗中，行波效應采用地震激勵相位差的方法實現，即利用各個橋墩墩底作動器啟動的時間差來模擬實際地震激勵下行波效應的影響。局部場地的變化通過在各個支承處輸入不同自功率譜的地震波來考慮，試驗中采用了文獻[3]中的公式。試驗量測物理量：主跨跨中、橋域墩底、墩梁固接節點等位置的應變響應：墩頂、主梁、臺面等位置的加速度響應;橋墩變形(即墩頂相對墩底的位移)。

　　2試驗結果分析

　　通過白噪聲輸入法得到模型動力特性，縱向一階頻率約為8.17 Hz，振型為縱橋向彎曲變形，與數值模擬結果相吻合。對于剛構橋，橋墩、墩梁固接節點為主要易損區域，故主要針對以上位置的動力響應進行對比分析。為了明確多點激勵(包含行波效應、局部場地效應)的影響，定義無量綱參數D=R，1Ro，其中，R，為考慮多點激勵時的結構響應，R。為不考慮多點激勵時的結構響應。

　　圖2為各工況橋墩墩底、固接節點混凝土應變峰值，圖3為各工況橋墩變形(墩頂、墩底相對位移)峰值。由圖2和圖3可知：行波效應與一致激勵相比，增大了各個橋墩的變形和受力，并且由于約束形式不同、剛度不同，各橋墩受到行波效應的影響程度也不同。與邊墩相比，中墩受到的影響更大;與橋墩相比，墩梁固接節點受到的影響略小。與一致激勵相比，局部場地效應增大了各個橋墩的變形和受力，降低了墩梁固接節點處應變響應，說明其對該處的受力是有利的。固接節點應變響應的變化幅度小于橋墩墩底處，說明節點不如橋墩對場地土質的改變敏感。相較于單獨考慮一致激勵下，單獨考慮行波效應或單獨考慮局部場地效應的情況，考慮多點激勵后，橋墩的地震反應均有增大。而墩梁固接節點處的應變響應不一定大于行波效應或場地效應單獨作用下的應變響應。這說明，在地震動空間差動效應中僅考慮某一因素的影響，將使得大跨度剛構橋的地震影響分析結果不準確。

　　3近斷層剛構橋地震響應分析

　　3.1 近斷層效應

　　為了研究近斷層地震對橋梁結構地震響應的影響，自美國太平洋地震工程研究中心(PEER)地震數據庫選取常見的10條遠場地震動及10條近斷層地震動進行分析，見表2：調整后地震波的峰值地面速度與峰值地面加速度的比值anylana如圖4a所示，可以看出：與遠場地震動相比，近斷層地震動具有較大的anvlann：為進一步說明近斷層地震的特點，以TCU063.Taft波為例，繪制其時程曲線及反應譜對比圖(圖4d)，可以看出: 當反應譜周期大于0.2s時，近斷層地震動的反應譜譜值遠大于遠場地震動的譜值。

　　為了明確近斷層地震對結構動力響應的影響，定義無量綱參數D=R，/R，其中，R，為考慮近斷層地震時的結構響應，R，為不考慮近斷層地震時的結構響應。

　　圖5a為近斷層地震動作用下模型橋各個橋墩墩頂的水平相對位移峰值曲線：圖5b為遠場地震動作用下模型橋各個橋墩墩頂的水平相對位移峰值曲線。如圖5a所示：10條近斷層地震動中，TCU063作用下，橋墩墩頂水平位移峰值最大，4個橋墩墩頂位移峰值分別為4.54，13.94，13.97，3.08 mm，Erican Turkey作用下，橋墩水平位移峰值最小，分別為2.47，6.72，6.73，1.66 mm.10條遠場地震動中，Taft波作用下，橋墩水平位移峰值最大，4個橋墩墩頂位移峰值分別為1.92，5.76，5.76，1.45 mm;Tottori(HR S007)作用下，橋墩水平位移峰值最小，分別為0.62，1.71，1.71，0.48 mm.以Taft波為標尺，2號橋墩為例，近斷層地震動作用下，水平位移峰值放大系數分別為6.61.7.26、4.17.4.79.4.674.95.3.50.7.17.5.76、4.96;以Taft波為標尺，1號橋墩為例，近斷層地震動作用下，水平位移峰值放大系數分別為2.32.2.37，1.58.1.80.1.55，1.651.28.2.26.1.88.1.45，可以看出：中墩(2號墩)比邊墩(1號墩)水平相對位移增幅更大，對近斷層效應更敏感。與遠場地震動相比，近斷層地震增大了橋墩相對位移。由圖5c看出：對于墩底彎矩響應有相似規律，且位移響應峰值、彎矩響應峰值變化規律與aalapca無明顯相關性。

　　圖5d為主梁跨中彎矩峰值曲線，10條近斷層地震動中，TCL063作用下，主梁彎矩峰值最大，為3.510 kN-m，Errican Turkey作用下，主梁彎矩峰值最小，為1.714 kN-m.10條遠場地震動中，Taft波作用下，主梁彎矩峰值最大，為1.496 kN-m：Tottori(HRS007)作用下，主梁彎矩峰值最小，為0.499 KN-m。以Taft波為標尺，放大系數最大為2.35，最小為1.15.可以看出：與遠場地震動相比，近斷層地震對主梁跨中受力影響顯著。主梁跨中彎矩響應峰值變化規律與apalaca無明顯相關性。與橋墩相比，主梁受力放大系數較小，橋墩對地震波的變化更敏感。

　　圖5e為主梁水平位移峰值曲線，10條近斷層地震動中，TCL063作用下，主梁水平位移峰值最大，為14.42 mm，Erzican Tukey作用下，水平位移峰值最小，為6.95 mm.10條遠場地震動中，Tafi波作用下，主梁水平位移響應峰值最大，為5.96 mm;Tottori(HRS007)作用下，水平位移響應峰值最小，為1.77 mm.可以看出：與遠場地震動相比，近斷層地震增大了主梁水平位移。

　　綜上，大多數近斷層地震較遠場地震對剛構橋

　　地震響應更為不利，結構抗震設計應加以考慮，從而使分析結果更精準。

　　3.2地震動空間效應

　　選取使結構響應最大的TC1063波、使結構響應最小的Erican Turkey波及Kobe波，進行考慮地震動空間效應的動力響應分析。圖6為近斷層地震動作用下，考慮行波效應的剛構橋墩頂水平相對位置峰值曲線。可見：TCU063作用下，橋墩位移峰值最大，4個橋墩墩頂位移峰值分別為4.54，13.94，

　　13.97，3.08 mm;考慮行波激勵后，放大系數為1.31、1.72.1.79.1.30;考慮多點激勵后，放大系數為1.97.2.23.2.36.1.95;Erzican Turkey作用下，橋位移峰值最小，分別為2.47，6.72，6.73，1.66 mm;考慮行波后，放大系數為1.10.1.491.44.1.17;考慮多點激勵后，放大系數為1.511.93.1.88 1.53，與一致激勵相比，行波激勵增大了橋墩相對位移，多點激勵使得影響更劇烈;與邊墩相比，中墩受行波激勵的影響更大。

　　因此考慮地震動空間效應后，剛構橋橋墩動力響應進一步增大：近斷層效應與地震動空間效應共同考慮時，情況最為不利。

　　4結束語

　　通過對一座1：10比例的三跨剛構橋模型的多點激勵振動臺臺陣試驗，在此基礎上建立了剛構橋有限元模型，選取10條典型近斷層地震動和10條遠場地震動，對其作用下的動力響應進行分析對比，得出以下結論：

　　1)行波激勵對橋墩變形、受力均為不利因素，其影響程度與視波速取值密切相關;各部分所受影響程度排序為中墩、邊墩、固接節點，即中墩比邊墩對場地變化(視波速、場地土質等)更敏感，橋墩比固接節點對場地類型的改變更敏感;局部場地效應使墩梁固接節點處應變響應降低，說明局部場地效應對固接節點受力有利：多點激勵下，橋墩動力響應大于一致激勵、行波激勵或局部場地效應的結果，但固接節點無此規律，這說明應綜合考慮地震動空間差動效應中各個因素的影響，使剛構橋地震影響分析結果更為準確。

　　2)與遠場地震動相比，近斷層地震動anylacs的比值更大，模型結構動力響應更劇烈：考慮近斷層效應后，橋墩變形和受力均發生增長，以Taf波為標尺，邊墩變形增大了1-2倍，中墩變形增大了2-7倍，主梁跨中彎矩、水平位移也相繼增大，增幅1-2倍;中墩動力響應受到的影響比邊墩大，橋墩比主梁受到的影響大;考慮多點激勵后，這種不利影響被加劇了。因此，近斷層效應、地震動空間效應在抗震設計均應該予以考慮，使分析結果更準確，并且在抗震設計時，要根據地震波、結構特性等因素共同考慮，具體問題具體分析。

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