海底与近岸陆地地震动作用下跨海隔震连续梁桥地震反应比较.pdf

马海龙，王荣霞，王宁宁，安正汉，王东升，2023.海底与近岸陆地地震动作用下跨海隔震连续梁桥地震反应比较.震灾防御技术，18（2）：338346.doi：10.11899/zzfy20230215海底与近岸陆地地震动作用下跨海隔震连续梁桥地震反应比较1马海龙 1）王荣霞 2,3）王宁宁 1）安正汉 2,3）王东升 2,3）1）河北首都新机场高速公路开发有限公司,河北廊坊 0650002）河北工业大学,土木与交通学院,天津 3004013）河北省土木工程技术研究中心,天津 300401摘要跨海桥梁抗震时程分析通常采用陆地强震记录作为输入，因海底场地环境与陆地存在诸多差异，需对该方法进行深入研究。结合工程实际，利用 ADINA 软件建立基底固接跨海隔震连续梁桥分析模型。基于日本 KiK-net 台网选取震级及震中距相似的 7 个海底强震台站和 7 个近岸陆地强震台站各 14 条水平地震动（EW 和 NS 方向独立考虑），沿桥梁纵桥向输入并进行地震反应时程分析，研究海底地震动和近岸陆地地震动输入下跨海隔震桥梁地震反应。通过对比桥墩最大变形及受力、主梁位移反应和支座最大剪应变，认为在大多数情况下，海底地震动作用下桥梁结构地震反应为近岸陆地地震动的 1.31.9 倍。跨海隔震桥梁抗震时程分析宜采用海底地震动作为输入。关键词：跨海桥梁隔震连续梁桥海底地震动近岸陆地地震动地震反应Seismic Response Comparison of Sea-crossing and Seismic Isolated ContinuousGirder Bridge under Offshore Ground Motion and Onshore Ground MotionMa Hailong1),Wang Rongxia2,3),Wang Ningning1),An Zhenghan2,3)and Wang Dongsheng2,3)1)Hebei Capital New Airport Expressway Development Co.Ltd,Langfang 065000,Hebei,China2)School of Civil and Transportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China3)Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province,Tianjin 300401,ChinaAbstractThe strong earthquake records onshore usually are input as seismic time history analysis of cross-sea bridges.Because of thedifferences between the environment of the seabed and the land,this method needs to be studied carefully.Taking a real cross-sea isol-ated continuous beam bridge as the example,the analysis model of the sea-crossing bridge is established by ADINA software with thefixed-base assumption.Based on the Japanese KIK-net network,7 submarine strong earthquake stations and 7 coastal land strong earth-quakes with similar magnitude and epicenter distance are selected,each site conditions with 14 horizontal(independently consideredEW and NS directions)seismic records.The seismic records are input along the longitudinal direction of the bridge for seismic re-sponse time history analysis.The seismic response of a sea-crossing isolated continuous beam bridge under different two ground mo-tion input modes is studied,one is the offshore ground motions,the other is onshore ground motions.The maximum deformation andforce of the bridge pier,the displacement response of the main girder and the maximum shear strain of the bearing are compared.It isknown that,the responses of bridge structure subjected to the offshore ground motions are greater than that subjected to the onshoreground motions in most cases with response ratios being up to 1.3 to 1.9 times.Therefore the offshore seismic records should be inputfor seismic time history analysis of sea-crossing isolated bridge.1 基金项目 国家自然科学基金（51778206）；廊坊市科技支撑计划（2019013115）收稿日期2021-06-18作者简介马海龙，男，生于 1984 年。高级工程师。主要从事土木工程设计及施工方面的研究。E-mail：通信作者王荣霞，女，生于 1971 年。副教授。主要从事桥梁结构抗震研究。E-mail： 第 18 卷 第 2 期震灾防御技术Vol.18，No.22023 年 6 月Technology for Earthquake Disaster PreventionJun.，2023Key words:Sea-crossing bridges;Isolated continuous beam bridges;Offshore ground motion;Onshore ground motion;Seismic response 引言大型跨海桥梁对社会经济发展的作用巨大，其抗震设计至关重要。世界上曾发生多起跨海桥梁震害案例，跨海桥梁是近海和海域地震中遭受破坏较多的结构（周旭彤等，2021），如美国 Loma Prieta 地震中奥克兰海湾大桥发生落梁事故（Penzien,2001）、Kobe 地震中西宫港大桥发生落梁事故（Wilson，2003）、明石海峡大桥锚锭和岸墩发生移位（Kitagawa，2004）、东神户大桥黏滞阻尼器锚栓脱落及梁端上抬（Ganev 等，1998）、东日本大地震中数百座桥梁损坏（张广锋等，2013）。近年来，我国跨海桥梁事业飞速发展，目前跨海桥梁总里程达 220 km，大型跨海桥梁达 30 余座。其中，总长 55 km 的港珠澳大桥是我国乃至世界最长的跨海大桥。我国海域处于环太平洋地震带，海域及邻近区域地震地质环境复杂，陆地和近海的板内地震活动影响我国近海工程场地环境，历史上多有强震发生（陈宝魁等，2017；李小军等，2021）。海底地震作用下近海桥梁结构安全性是建设近海重大交通工程必须解决的关键问题（李超，2017）。近年来，海底地震动特性的相关研究发现，海底与陆地地震动特性差别较大（Swanger，1981；Boore 等，1999；Chen 等，2015，2017；Li 等，2015；谭景阳等，2020）。因缺少海底强震记录，在跨海桥梁抗震时程分析中，通常采用陆上强震记录进行分析，对于近海及海底大地震的影响研究较少（王明远等，2011；Li 等，2020；陈宝魁等，2020）。李超（2017）分析发现，与近海场地地震动输入相比，采用陆地场地地震动输入会高估跨海斜拉桥结构的地震易损性；王德斌等（2019）和刘驭（2019）以某近海大桥引桥为研究对象，分析发现海底地震动会增大桥梁的破坏指标，使桥梁抗震性能显著降低。总的来说，目前关于海底地震动和近岸陆地地震动对跨海隔震桥梁影响的差异性仍缺少足够的认知，未量化海底地震动对桥梁各构件地震动响应的影响，尤其是海底地震动对安装减隔震支座的跨海桥梁结构的影响。本文首先建立跨海隔震连续梁桥 ADINA 模型，进行自振特性分析；然后采用固定基底假设，通过选取海底地震动与近岸陆地地震动，校准滤波后分别将其加速度调整为 0.4 g 和 0.6 g，并沿桥梁纵桥向分别输入，计算并比较海底地震动与近岸陆地地震动输入下跨海隔震桥梁反应的差异。1跨海隔震连续梁桥算例以某隔震桥梁非通航孔桥引桥为例，建立考虑隔震桥梁有限元模型。该连续梁桥长 510 m，共分为 6 跨，每跨 85 m，桥梁整体布置如图 1 所示。采用分离式主梁，左、右幅主梁呈对称分布，且所用材料相同，梁高 4.3 m，顶板宽 32.6 m，整跨梁吊装质量 1 700 t，截面形式为钢-混凝土混合截面，选用 C50 混凝土桥面板及 Q345 钢箱梁，如图 2（a）所示。该桥抗震设防标准上考虑了三水准设防：以重现期表征，工作状态（E1）为 120 年，极限状态（E2）为 600 年，结构完整性状态（E3）为 2 400 年，设计使用寿命 120 年，（基准期 120 年超越概率 5%），对应的基岩 PGA 为 190 Gal，地表 PGA 为 235 Gal。桥墩通过预应力干接缝连接，其高度为 19 m，截面形式为双室薄壁空心矩形截面，截面尺寸如图 2（b）所示。该梁段共设 7 个桥墩，墩高及截面尺寸一致，均采用 C50 混凝土材料，钢筋纵筋为 HRB335，内外层均采用环形箍筋。基础采用钢管复合变截面桩，钢管壁厚 22 mm，采用 4 根基桩，有钢管段直径 200 cm，无钢管段直径 180 cm，承台全部在海床面以下，尺寸为 10.2 m11.2 m4.85 m（长宽高）。685 m=510 m 连续梁桥858585858585过渡墩 1边墩 219边墩 3中墩 4边墩 5边墩 6过渡墩 7 图 1 桥梁整体布置（单位：米）Fig.1 Overall layout of the bridge（Unit:m）2 期马海龙等：海底与近岸陆地地震动作用下跨海隔震连续梁桥地震反应比较339该桥采用的减隔震装置为铅芯橡胶支座，每个桥墩顶部沿桥梁横向布置 4 个支座，边墩和中墩选用不同型号支座，边墩支座如图 3 所示，选用的支座尺寸为 1 094 mm1 094 mm364 mm（长宽厚）。橡胶层厚度为 20.5 mm，共 11 层。钢板厚度为 5 mm，共 10 层。中墩支座如图 4 所示，选用的支座尺寸为 1 489 mm1 489 mm407 mm（长宽厚）。橡胶层厚度为18 mm，共 14 层。钢板厚度为 5 mm，共 13 层。2基于 ADINA 软件的跨海隔震桥梁建模 2.1跨海隔震桥梁分析模型采用 ADINA 软件建立桥梁整体分析二维平面模型，其中 x 轴为桥梁横桥向，y 轴为桥梁纵桥向，z 轴为竖向，模型自由度为：y 向和 z 向平动自由度，x 向转动自由度。阻尼采用瑞利阻尼，阻尼比为 0.05。桥梁模型由主梁、支座、桥墩等构成，假设基础为固接形式，忽略土-结构相互作用的影响。主梁选用梁单元 Beam 模拟，单元子类型为 3D梁单元。建模过程中，将 2 幅主梁合并为 1 幅进行分析，其等效截面面积为 18.34 m2，截面惯性矩 Iy=50.4 m4，选用材料参数如表 1 所示。支座选用铅芯橡胶支座，用等效的桁架单元Truss 模拟，单元子类型为 General 3D 单元，建模时可简化为理想双线性力学模型，选择双线性弹塑性材料（Bilinear Elastic-Plastic Material），应变硬化（Strain Hardening）类型选择 Kinematic，具体参数通过以下等效公式求得：A=KLE（1）式中，A 为桁架单元截面面积；K 为初始刚度；L 为单元长度，在本设计中取 1 m；E 为弹性模量，取钢材弹性模量，即 2.06105 MPa。y=FyA（2）表 1 主梁材料参数Table 1 Main girder material parameters材料编号材料名称弹性模量/MPa 泊松比密度/（kgm3）1C50混凝土34 5000.22 5492Q345钢206 0000.37 849 1.581.50.50.32.90.30.81.2钢材混凝土16.34.30.894.98(a)主梁横截面(b)桥墩截面尺寸 图 2 主梁和桥墩截面（单位：米）Fig.2 Pier section and main girder cross section（Unit:m）铅芯直径 d=239 mm上钢板层厚 45 mm钢板层厚105 mm橡胶层厚1120.5 mm1 094364 图 3 边墩支座断面尺寸（单位：毫米）Fig.3 Bearing section size of side pier（Unit:mm）铅芯直径 d=321 mm上钢板层厚 45 mm钢板层厚135 mm橡胶层厚1418 mm1 489407 图 4 中墩支座断面尺寸（单位：毫米）Fig.4 Bearing section size of mid-pier（Unit:mm）340震灾防御技术18 卷y式中，为屈服应力，Fy为屈服力。QdKuKeffKdUyKv支座力学性能如图 5 所示，图中为支座特征强度，为初始刚度，为支座等效刚度，为支座屈服后刚度，为屈服位移，为支座竖向初始刚度。支座建模参数如表 2 所示，表中数据为 1 个支座的数据，实际计算时需考虑 4 个支座进行模拟。桥墩选用梁单元 Beam 模拟，单元子类型为 3D梁单元，建模时截面类型为箱形 Box，尺寸为 3.5 m11 m 的长方形截面内置 1.9 m8 m 的空心截面。2.2隔震桥梁自振特性分析结果基于以上理论分析，自振特性模型计算中按等效刚度考虑（对应 100%支座剪应变）。利用 ADINA软件对该隔震桥梁进行自振特性分析，得到桥梁周期与振型。桥梁前四阶振型的自振周期及振型特点如图 6 所示。3地震反应时程分析 3.1海底和近岸输入地震动本研究选用的海底地震动和近岸陆地地震动记录均来源于日本 KiK-net 台网。选用不同地震动作用下7 个海底强震台站和 7 个近岸陆地强震台站各 14 条水平双向地震动。首先采用 SeismoSignal 软件对原始地震数据进行基线校准和滤波处理，过滤器类型为Butterworth。（1）地震动信息选用的海底地震动数据来源如下：2006 年 4 月21 日震中位于尹东市东海岸约 15 km 处的里氏 5.8 级地震、2018 年 7 月 7 日震中位于千叶市东海岸约50 km 处的里氏 6.0 级地震及 2015 年 9 月 12 日震中临近东京市东海岸的里氏 5.2 级地震，地震动台站信息如表 3 所示。近岸陆地地震动选用 2020 年 6 月 25 日日本本州东岸近海地震和 2020 年 9 月 12 日日本宫城近海地震的数据。日本本州东岸近海地震震源深度为 36 km，震级为 6.1 级。日本宫城近岸地震震源深度为 43 km，震级为 6.2 级。地震动台站信息如表 4 所示。海底地震动和近岸陆地地震动各方向平均放大系数反应谱如图 7 所示，计算周期为 04 s，阻尼比为0.05。由图 7 可知，海底地震动有略宽的平台值和对应 1 s 周期范围（对应隔震桥梁基本周期 1.17 s）更大的放大系数谱值。3.2地震反应比较采用时程分析方法对跨海隔震桥梁进行地震反应分析。计算分析时采用一致质量矩阵（Consistent Mass 表 2 理想双线性建模参数Table 2 Ideal bilinear modeling parameters支座位置Ku/（kNm1）Kd/（kNm1）Fy/kNKV/（kNm1）边墩支座32 7804 0004491 667 000中墩支座51 9706 6528104 724 000 位移/m力/kNFyKdKuQdUyKeff 图 5 理想双线性力学模型Fig.5 Ideal bilinear mechanical model(a)第一阶振型(周期 T1=1.32 s,桥梁纵向平移)(b)第二阶振型(周期 T2=0.76 s,桥梁竖向弯曲振动)(c)第三阶振型(周期 T3=0.71 s,桥梁竖向对称振动)(d)第四阶振型(周期 T4=0.60 s,桥梁竖向反对称振动)图 6 桥梁前四阶振型Fig.6 First four vibration mode shapes2 期马海龙等：海底与近岸陆地地震动作用下跨海隔震连续梁桥地震反应比较341Matrix），计算时间间隔取 0.01 s，输出结果时间间隔取 0.01 s。将处理完成的近岸陆地水平向地震动和海底水平向地震动加速度峰值分别调整为 0.4 g 和 0.6 g，并沿纵桥向输入。对 2 种地震动作用下主梁纵桥向位移、墩顶侧移、支座剪应变及墩底弯矩等进行分析研究，得到海底地震动和近岸陆地地震动对桥梁影响的差异。因所选地震震级为 5.26.2 级，所选地震东台站距震中的距离为 6080 km，故数值模拟结果具有可比性。由于建模过程中仅选取 1 联 6 跨桥梁进行分析，忽略了实际工程中相邻 1 联桥墩对此桥梁的影响，分析比较时，仅选取中墩数据进行分析，主梁选择跨中位移进行对比。首先将 7 条海底地震动和 7 条近岸陆地地震动 EW 和 NS 向分别作为各自独立的地震动，得到海底和陆地地震动各 14 条；然后将其峰值加速度调整至 0.4 g 和 0.6 g，构成 28 组工况；最后沿桥梁纵桥向分别输入，表 3 地震动台站信息（海底地震动）Table 3 Detailed data of ground motion station序号站台编号时间/（年-月-日）东经/（）北纬/（）1KNG2042006-04-21139.5734.892KNG2032006-04-21139.6434.803SZ00032006-04-21139.0534.824KNG2062006-04-21139.3835.105KNG2012018-07-07139.9234.606SIT0082015-09-12139.7535.987CHB0282015-09-12139.9735.77 表 4 地震动台站信息（近岸陆地地震动）Table 4 Detailed data of ground motion station序号站台编号时间/（年-月-日）东经/（）北纬/（）1CHB0122020-06-25140.33E35.57N2IBR0172020-06-25140.32E35.95N3CHB0042020-06-25140.49E35.90N4MYG0022020-09-12141.51E38.73N5MYG0032020-09-12141.31E38.73N6IWT0262020-09-12141.10E39.26N7IWT0092020-09-12141.40E39.02N 012340.00.51.01.52.02.53.03.5 EW NS UD EW NS UD放大系数 0.00.51.01.52.02.53.03.5放大系数 周期/s01234周期/s(a)海底地震动(b)陆地地震动 图 7 地震动平均放大系数反应谱Fig.7 The mean amplification factor of seismic waves342震灾防御技术18 卷提取每条地震动引起墩顶最大侧移、墩底最大弯矩和主梁最大纵桥向位移作为比较对象。峰值加速度为 0.4 g 海底地震动引起的桥墩侧移普遍大于近岸陆地情况（14 条地震动中仅 1 条地震动输入下海底地震动引起的桥墩侧移小于近岸陆地），如图 8 所示。平均值计算结果显示，海底地震动引起的桥墩侧移反应约为近岸陆地地震动引起的桥墩侧移 1.44 倍，可知海底地震动作用下，隔震桥梁地震反应较大。当峰值加速度为 0.6 g 时，桥墩最大侧移是峰值加速度为 0.4 g 时的 1.151.62 倍，且从平均值看，海底地震动引起的桥墩侧移约为近岸陆地引起的桥墩侧移的 1.31 倍，仍表现为海底地震动作用下隔震桥梁地震反应大于近岸陆地情况。由相同地震动加速度峰值下桥墩墩底最大弯矩可知，海底地震动作用下墩底弯矩明显大于近岸陆地地震动作用下墩底弯矩，从平均值看，前者为后者的 1.381.40 倍，如图 9 所示。海底地震动和近岸陆地地震动作用下主梁纵桥向位移反应如图 10 所示。由图 10 可知，海底地震动作用下主梁位移反应较近岸陆地地震动作用下的位移反应强烈。在峰值加速度为 0.4 g 的情况下，海底地震动引起的主梁纵桥向位移最大值达 0.125 m，而近岸陆地地震动引起的位移普遍为 0.010.06 m。在峰值加速度为 0.6 g 的情况下，有 3 条海底地震动引起的位移0.1 m。该桥支座选用铅芯橡胶支座，支座滞回曲线体现了其在地震作用下承载力与水平位移之间的关系，提取并绘制滞回曲线可对计算结果的准确性进行检验。本文主要研究中墩支座，仅选取第 1 组海底地震动和近岸陆地地震动作用下支座滞回曲线，如图 11、图 12 所示。由图 11、图 12 可知，峰值加速度为 0.4、0.6 g 时海底地震作用下支座消耗的能量较多，产生的变形较大。陆地地震动海底地震动陆地地震动海底地震动12345678910111213140.0000.0050.0100.0150.0200.025侧移/m侧移/m工况1234567891011121314工况(a)峰值加速度 0.4 g(b)峰值加速度 0.6 g0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030 图 8 墩顶最大侧移Fig.8 Maximum lateral displacement of pier top 陆地地震动海底地震动陆地地震动海底地震动(a)峰值加速度 0.4 g(b)峰值加速度 0.6 g1234567891011121314工况1234567891011121314工况0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0105 105 最大弯矩/(kNm)最大弯矩/(kNm)0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 图 9 墩底最大弯矩Fig.9 Maximum bending moment of pier bottom2 期马海龙等：海底与近岸陆地地震动作用下跨海隔震连续梁桥地震反应比较343支座剪应变计算公式如下：=xh橡胶（3）xh橡胶h橡胶=20.511=225.5 mmh橡胶=1814=252 mm式中，为支座剪应变；为支座沿纵桥向最大变形；为支座橡胶层厚度，边墩支座，中墩支座。中墩支座最大剪应变如图 13 所示。由图 13 可知，大多数海底地震动作用下的支座剪应变大于近岸陆地地震动作用下，从平均值来看，前者约为后者的 1.82 倍。对比不同加速度峰值地震动作用下的剪应变可知，加速度峰值为 0.6 g 的海底地震动作用下剪应变最大值可达 0.591。陆地地震动海底地震动陆地地震动海底地震动侧移/m侧移/m(a)峰值加速度 0.4 g(b)峰值加速度 0.6 g1234567891011121314工况1234567891011121314工况0.000.020.040.060.080.100.120.140.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.220.24 图 10 主梁纵桥向位移Fig.10 Longitudinal displacement response of girder 40 30 20 10010203040504 0003 0002 0001 00001 0002 0003 0004 0005 000 水平力/kN4 0003 0002 0001 00001 0002 0003 0004 0005 000 水平力/kN位移/mm位移/mm(a)EW 向地震动(b)NS 向地震动604020020406050陆地地震动海底地震动陆地地震动海底地震动 图 11 0.4 g 峰值加速度下支座滞回曲线Fig.11 Bearing hysteresis curves with 0.4 g peak accelerations 4 0003 0002 0001 00001 0002 0003 0004 0005 000 水平力/kN4 0003 0002 0001 00001 0002 0003 0004 0005 000 水平力/kN(a)EW 向地震动(b)NS 向地震动位移/mm位移/mm604020020406080604020020406080 陆地地震动海底地震动陆地地震动海底地震动 图 12 0.6 g 峰值加速度下支座滞回曲线Fig.12 Bearing hysteresis curves with 0.6 g peak accelerations344震灾防御技术18 卷4结论本文利用 ADINA 软件建立跨海隔震连续梁桥模型，将校准、滤波后的 7 个海底强震台站和 7 个近岸陆地强震台站各 14 条水平地震动，沿桥梁纵桥向输入进行时程分析。通过地震响应对比，得出以下结论：（1）海底地震动作用下跨海隔震桥梁墩顶侧移、墩底弯矩、主梁纵桥向位移及支座剪应变均大于近岸陆地地震动作用下，前者为后者的 1.31.9 倍。（2）海底地震动对主梁纵桥向位移和支座剪应变的影响尤为显著，后者直接关系到跨海隔震桥梁性能评价，因此建议对跨海隔震桥梁进行抗震分析时，宜考虑采用海底地震动作为抗震时程分析输入波。参考文献 陈宝魁，王东升，石岩等，2017.跨海桥梁抗震设计研究发展综述.世界地震工程，33（4）：122128.Chen B.K.,Wang D.S.,Shi Y.,et al.,2017.Advancement in research on seismic design of sea-crossing bridge.World EarthquakeEngineering,33(4):122128.(in Chinese)陈宝魁，卢宏飞，宋固全等，2020.海底地震动作用下隔震桥地震反应.南昌大学学报（工科版），42（3）：233241.Chen B.K.,Lu H.F.,Song G.Q.,et al.,2020.Seismic response of the sea-crossing isolated bridge under offshore ground motion.Journal of Nanchang University(Engineering&Technology),42(3):233241.(in Chinese)李超，2017.海底空间地震动作用下近海桥梁结构全寿命易损性分析.大连：大连理工大学.Li C.，2017.Life-cycle seismic fragility analyses of offshore bridge structures subjected to spatially varying seafloor 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