不同地震作用输入模式的跨断层桥梁地震反应分析.pdf

李小军，孙静怡，王宁，荣棉水，董青，2023.不同地震作用输入模式的跨断层桥梁地震反应分析.震灾防御技术，18（2）：203214.doi：10.11899/zzfy20230201不同地震作用输入模式的跨断层桥梁地震反应分析1李小军 1,3）孙静怡 1）王宁 2）荣棉水 1）董青 1）1）北京工业大学,城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 1001242）中国地震局地球物理研究所,北京 1000813）防灾科技学院,河北三河 065201摘要大地震在近断层场地产生强烈地震动的同时，还会由于断层错动直接导致基岩甚至上覆土层破裂，在断层两侧产生显著差异性永久位移，造成位于断层附近或跨越断层的工程结构破坏。因此，跨断层桥梁面对的地震作用是断层两侧桥墩处场地的不同地震动，包括存在永久性位移的地震动。本文以垂直跨越走滑断层的多跨简支梁桥为例，基于OpenSees 有限元模拟平台建立了桥梁结构的三维计算模型，计算分析了不同地震作用输入模式下桥梁结构的地震反应及其差异。考虑的地震作用模式包括：（1）断层两侧场地的地震作用视为相同的无永久位移的地震动，即无永久位移的一致地震动作用模式；（2）断层主动盘一侧场地的地震作用具有永久位移地震动，被动盘一侧采用无永久位移地震动，即具有永久位移的非一致地震动作用模式；（3）在断层主动盘一侧场地以静力方式施加断层错动位移，而被动盘一侧场地固定不动，即断层错动位移静力作用模式。计算结果分析表明，不考虑永久位移的一致地震动作用模式的地震动输入会导致严重低估桥梁反应计算结果，这也说明地震动的断层两侧永久性位移差异会显著增大桥梁结构反应；而一致地震动作用叠加断层错动永久位移静力作用的结果与非一致地震动作用模式的结果非常接近。为此，在某种程度上说，跨断层桥梁结构地震反应可采用一致地震动作用叠加断层错动位移静力作用的桥梁结构反应来近似模拟。关键词：跨断层桥梁地震反应地震动空间差异永久位移地震作用模式Analysis of Seismic Response of Bridge across Earthquake Fault with DifferentInput Modes of Seismic ActionLi Xiaojun1,3),Sun Jingyi1),Wang Ning2),Rong Mianshui1)and Dong Qing1)1)Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of China Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China2)Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China3)Institute of Disaster Prevention,Sanhe 065201,Hebei,ChinaAbstractA large earthquake can produce strong ground motion at the near-fault site,and at the same time,it may directly break upthe bedrock and even the overlying soil layers due to fault rupture,which leads to significant differential permanent displacement onboth sides of the fault,and results in severe damage of the structure located near or crossing fault.Therefore,the seismic action on thebridge across fault is different on both sides of the fault,including the ground motion with permanent displacement.A simply supportedgirder bridge vertically across strike-slip fault is taken as an example,and a three-dimensional fnite-element model is developed using 1 基金项目 中国地震局地球物理研究所基本科业务费专项（DQJB21B37）；北京工业大学重点实验室重点项目（2023）；国家自然科学基金（52192675）；高等学校学科创新引智计划（D21001）；中国地震局地球物理研究所自主立项项目（JY2022Z35）收稿日期2023-02-15作者简介李小军，男，生于 1965 年。研究员，博士生导师。主要从事地震工程研究工作。E-mail：通信作者王宁，女，生于 1977 年。副研究员，硕士生导师。主要从事岩土地震工程研究。E-mail：ningwang_ 第 18 卷 第 2 期震灾防御技术Vol.18，No.22023 年 6 月Technology for Earthquake Disaster PreventionJun.，2023the earthquake engineering simulation software framework OpenSees(Open System for Earthquake Engineering Simulation).The seis-mic response of the bridge structure under different modes of seismic action is analyzed.The modes of seismic action considered in-clude:(1)Seismic action of sites on both sides of the fault is regarded as the same ground motion without permanent displacement,thatis,a consistent ground motion mode of seismic action without permanent displacement;(2)Seismic action of sites is regarded as aground motion with permanent displacement on the active side of the fault,and a ground motion without permanent displacement on thepassive side of the fault,that is,a non-consistent ground motion mode of seismic action with permanent displacement;(3)Fault disloca-tion displacement is applied to the site on the active side of fault,while the site on the passive side is fixed,that is,a static force mode ofseismic action with fault dislocation displacement.The analysis results show that a consistent ground motion mode of seismic actionwithout permanent displacement leads to a significant underestimation of the bridge structure responses,which indicates that the differ-ence of permanent displacements of ground motions on both sides of the fault significantly increases the bridge structure response;Theresult from the superposition of the consistent ground motion mode and static force mode of fault dislocation permanent displacement isvery close to the result from the non-consistent ground motion mode.Therefore,to a certain extent,the seismic response of cross-faultbridge structures can be approximately simulated by combining a consistent ground motion mode and a static force mode of fault dislo-cation displacement.Key words:Bridge crossing earthquake fault;Seismic responses;Spatial difference of ground motion;Permanent grounddisplacement;Seismic action mode 引言近断层地震动十分复杂，地震动特性受断层破裂类型、断层破裂过程及局部场地条件等因素影响，具有方向性、速度大脉冲和永久位移等一系列与远场地震动不同的特征（Somerville，2003；周正华等，2003；刘启方等，2006；李小军等，2012；袁一凡等，2012；惠迎新等，2017）。强震震害调查显示，近断层地震动除强度大导致工程结构破坏外，其丰富的长周期成分、速度大脉冲、大位移及永久位移等特性会加重对工程结构的破坏，造成桥梁上部结构过度移动、桥梁支座以及隔震消能系统失效等破坏，致使桥梁结构产生灾难性的、不可恢复的破坏（Byers 等，2000；Ghasemi 等，2000；Imbsen 等，2000）。已有典型震例包括，1976 年唐山大地震中滦河大桥的落梁破坏（王东升等，2005）；1995 年日本阪神地震中高架桥倾倒破坏（Kitagawa 等，2004）；1999 年我国台湾集集地震中乌溪桥、名竹桥、长庚桥、埤丰桥等多座桥梁由于断层错动引起的地面大变形和近地表破裂导致落梁、桥墩倾斜等损毁（Chang 等，2000；Hsu 等，2004；惠迎新等，2014）；2008 年四川汶川大地震中高树大桥、小鱼洞大桥等桥梁因断层穿过而发生严重破坏甚至垮塌（杜修力等，2008；刘爱文等，2008；王东升等，2009）。大地震中跨断层工程结构会因强烈地震动及断层错动引起的场地地表大变形和破裂的综合作用遭受到严重损害。因此，各国工程设计规范一般要求工程场地避让大型活动断层（EN 1998-52004Eurocode 8：design of structures for earthquake resistance Part 5：foundation，retaining structures and geotechnical aspects（CEN，2004）；GB 500112010建筑抗震设计规范（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）；Caltrans，2012；JTG B022013公路工程抗震规范（中华人民共和国交通运输部，2014）。我国的JTG/T 2231-012020公路桥梁抗震设计规范（中华人民共和国交通运输部，2020）规定：A 类桥梁宜避开主断裂，抗震设防烈度为度和度地区的桥墩边缘至主断裂带外缘的距离分别不宜小于 300 m 和 500 m。但随着我国生命线工程建设的发展，公路和铁路工程的桥梁不可避免地需要邻近或者跨越大型活动断层，如跨越铺前湾的海南海文大桥位于 1605 年琼山 7级大地震的震中区，桥梁横跨这次地震的发震断层（铺前-清澜大型活动断层）。在地震活跃的美国加州，据估计超过 5%的桥梁可能会跨越或位于断层破裂带附近；我国西部地区越来越多的桥梁建设也面临跨越活动断层的问题。美国加州交通局（Caltrans，2012）提出适应于跨越走滑断层普通桥梁的线性准静力简化分析方法作为 AASHTO 规范和 Caltrans 抗震设计标准的补充（Goel 等，2008），并提出位于活动断层 300 英尺范围内的桥梁需依据项目特定的抗震设计标准（PSDC）进行断层破裂危险性分析和设计（Caltrans，2019）。在我国，JTG/T 2231-012020公路桥梁抗震设计规范也增加了相关规定，如当桥位无法避开活动断层且不能将全部墩台布置在断层的同一盘时宜进行专项研204震灾防御技术18 卷究，以提出针对性的跨越活动断层措施，降低断层地表破裂带来的地震破坏风险。跨断层桥梁结构抗震问题越来越受到国内外学者关注，相应地开展了一些研究工作（李鸿晶等，2009；王东升等，2010；李建中等，2011；Mackie 等，2012；Sengupta 等，2016；Li 等，2017；Wang 等，2017）。Roussis 等（2003）、Park 等（2004）、Gney 等（2010）等学者对 1999 年土耳其 Duzce 地震中严重破坏的跨断层 Bolu 高架桥进行了非线性有限元时程抗震性能分析，表明在速度大脉冲地震动及断层错动地表破裂共同作用下，支座和消能单元严重损坏，指出纵向和横向的抗剪挡块在防止桥跨倒塌中起着关键作用。Goel等（2009a，2009b，2014）对美国加州跨断层的典型标准钢筋混凝土桥梁进行了一系列地震反应分析，提出了适应于跨走滑断层普通桥梁的反应谱法和线性/非线性准静力简化分析方法。惠迎新等（2015a，2015b，2015c）从地震动输入方法、桥梁地震反应特征、断层穿越位置与角度影响等方面对跨断层桥梁的抗震问题开展一系列研究，提出了包括结构形式、抗震措施等方面的抗震设计原则。杨怀宇等（2015）利用已有脉冲模型生成模拟断层效应的地面运动，采用非一致激励时程分析方法研究了跨断层桥梁结构地震反应，结果表明紧邻断层的桥墩墩底弯矩以及墩顶处横向支座位移相较其他位置桥墩大很多，如果不考虑断层位错的影响，将会低估桥梁结构的响应需求。Yang 等（2018）系统回顾了跨断层桥梁相关的震害调查、试验、理论分析和数值研究结果，对跨断层桥梁抗震设计规范做出总结。上述研究工作表明，跨断层桥梁的地震反应受到包括地震震级、断层穿越角度等各种参数的影响。针对地震断层错动引起的断层两侧永久性地面大变形差异对桥梁结构抗震性能影响的研究仍较少。跨断层桥梁结构抗震分析涉及的一个主要问题就是地震作用，即跨断层工程场地地震动的确定。一般根据工程场地地震环境、发震断层信息和抗震设计需要，在强震动记录库中选择条件相近的近断层观测数据，通过适当调整观测记录的幅值、持时等地震动参数，作为地震动输入（Sehhati 等，2011；石岩等，2014；陈令坤等，2016）。在难以得到合适的近断层强地震动记录情况下，通过实际地震记录叠加等效数学脉冲模型的方法人工合成地震动成为发展趋势（Makris 等，2000；Mavroeidis 等，2003；He 等，2008；江辉等，2011；Yan 等，2015；管仲国等，2016）。李帅等（2017）提出近断层脉冲型地震动合成的“分解-叠加”方法，即通过地震动分解法得到近断层高频地震动，再叠加等效脉冲模型得到合成近断层地震动。本文以跨越走滑断层的多跨简支梁桥为例开展研究，探讨所跨越断层发生地震引起强烈地震动和工程场地地面错动永久位移的情况下跨断层桥梁结构反应及其特征，特别是探讨采用不同地震作用输入模式时桥梁结构反应计算结果的差异。1桥梁结构地震反应计算模型和分析方法以海文大桥（原名“铺前大桥”）工程为背景建立场地和桥梁计算分析模型，本文选取整体桥梁中的断层两侧 6 跨进行具体计算分析，如图 1 所示。设定桥梁在第 3 跨与断层垂直相交，即 P2、P3 号桥墩与 P4、P5、P6 桥墩分别位于断层两侧。桥梁跨度组合设计为 258 m+60 m+358 m，桥面宽 32 m，梁高 2.8 m。所有桥墩设计为双柱式钢筋混凝土空心墩，壁厚均为 0.55 m，而墩高不同，分别为 33.1、31.6、30.1、28.7、27.2 m。为提高桥梁结构的抗震性能，桥墩与主梁之间采取减隔震支座、断层错位调节装置等针对性的桥梁结构抗震设计。选用由美国太平洋地震研究中心（PEER）开发的大型开源有限元平台 OpenSees 构建桥梁结构的有限元计算模型（图 1），其中断层错动主动盘一侧为 2 跨（包括 P2、P3 号桥墩）、断层错动被动盘一侧为 3 跨（包括 P4、P5、P6 号桥墩）。计算模型中，采用线弹性梁柱单元模拟大桥的桥墩和钢箱梁；考虑到桥墩和简支钢箱梁板之间有水平向相对位移，并且支座处在受力时纵向弯矩为 0，采用双节点连接单元模拟主梁和桥墩之间的支座，单元材料采用单轴各向同性强化的 Guiffre-Menegotto-Pinto 钢材本构（Steel02），其屈前刚度、屈后刚度和屈服强度分别为 21.6 kNmm1，3.4 kNmm1和 432.0 kN，支座的力-位移关系如图 2 所示。桥梁两侧土-桥台相互作用分别通过 2 组线性弹簧单元模拟，结构阻尼采用 5%的瑞利阻尼模型模拟。地震响应动力方程求解选用 OpenSees 中提供的 Newmark 平均加速度法。P2 至 P6 号桥墩下方均为 44 的钻孔群桩，桩长 44.063.0 m。为减小运算量，在有限元模型中将群桩简化为等效单桩。桩-土相互作用通过沿桩长每14 m 设置 1 个 p-y 零长度弹簧（Zero Length Element）模拟，实现不同深度对应不同的应力应变关系。弹簧间距由上自下从 1 m 不断增大至 4 m。土弹簧杆的单元刚度参照 Elgamal 等（2014）提供的 p-y 曲线。2 期李小军等：不同地震作用输入模式的跨断层桥梁地震反应分析2052地震作用输入模式假设桥梁垂直跨越走滑型活动断层，该断层发震产生地震动和断层地表破裂。参考相关工程场地的地震安全性评价结果，场地基岩地震动参数为：断层左右两侧的横桥向水平永久位移（位错量）分别为0.81 m 和 0 m，而顺桥向水平永久位移量均为 0 m；断层两侧的横桥向和顺桥向水平地震动峰值加速度和加速度反应谱均取相同值，峰值加速度为 0.60 g，加速度反应谱如图 3 所示。本文计算中未考虑竖向地震动，假设为水平双向基岩地震动输入。基于以上确定的场地基岩地震动峰值加速度、永久位移及加速度反应谱参数，人工合成相应的地震动时程。以 1992 年 Landers 地震（M7.3）的加速度记录为初始地震动时程，该记录台站的断层距（Joyner-Boore Distance）为 2.19 km，地震动时程信息如表 1所示。通过叠加单脉冲函数拟合满足目标加速度反应谱和峰值加速度的具有速度脉冲特性的地震动时程，包括含有与不含永久性位移的地震动加速度时程，地震动时程时间步长为 0.005 s，持时为 40.96 s，如图 4、图 5 所示。人工合成的地震动峰值加速度、速度和位移数据如表 2 所示。开展跨断层桥梁地震反应分析计算时，采用以下 3 种地震作用输入模式：表 1 原始地震动时程信息Table 1 Original ground motion parameters方向PGA/gPGV/（cms1）PGD/cm横桥向0.73133.33113.87顺桥向0.7928.0925.52 P2断层主动盘断层被动盘发震断层P35 8005 8005 8005 8005 8006 000桩P5P4P6桩桥墩 图 1 跨断层桥梁有限元模型（单位：厘米）Fig.1 Finite element model of the bridge（Unit：cm）0.060.040.0200.020.040.06位移/m6004002000200400600力/kN 图 2 支座模型及力-位移曲线Fig.2 Model of bearing and its force-displacement relationship 102101100101周期/s101100加速度反应谱/g目标反应谱横桥向不考虑永久位移合成地震动横桥向考虑永久位移合成地震动顺桥向合成地震动 图 3 场地基岩水平向地震加速度反应谱Fig.3 Horizontal seismic acceleration response spectrum ofrock site206震灾防御技术18 卷模式 1：不考虑断层错动永久位移，断层左右两侧场地基岩采用一致性地震动输入，即无永久位移的一致地震动作用模式。模式 2：断层左侧的横桥向地震动考虑永久位移，断层左右两侧场地基岩采用非一致性地震动输入，即具有永久位移差的非一致地震动作用模式。模式 3：在断层左侧场地基岩以静力方式施加永久位移，而断层右侧场地基岩设定静止不动，即断层错 010203040时间/s时间/s0.500.5加速度/g加速度/g010203040010203040时间/s时间/s01020304050050100150位移/cm位移/cm(a)横桥向(b)顺桥向0.500.510050050 图 4 不考虑永久位移的人工合成地震动时程Fig.4 Synthetic ground motion time histories without considering permanent displacement 加速度/g位移/cm0.500.550050100150010203040时间/s010203040时间/s 图 5 横桥向考虑永久位移的人工合成地震动时程Fig.5 Synthetic ground motion time history considering permanent displacement in the transverse direction 表 2 合成的地震动时程信息Table 2 Synthetic ground motion parameters类别PGA/gPGV/（cms1）PGD/cm横桥向不考虑永久位移0.60111.97105.39横桥向考虑永久位移0.60117.79138.88顺桥向不考虑永久位移0.60118.89110.842 期李小军等：不同地震作用输入模式的跨断层桥梁地震反应分析207动位移静力作用模式。这种模式中，位移施加方式为在一段时间内将位移逐级增加至要求的永久位移值，加载至永久位移值的时间与模式 2 中位移时程进入永久位移阶段的时间一致，本文算例中的具体时间约 20 s（图 5），后续保持加载位移值不变。本文考虑桥梁场地为基岩半空间上覆成层土层场地，且断层两侧的覆盖土层相同，桥墩桩基位于覆盖土层中。首先基于桥梁工程场地地震安全性评价工作提供的场地勘测资料建立一维成层土层计算模型，并利用等效线性化频域土层反应计算方法（李小军，1992；李小军等，2001），分别以考虑与不考虑永久位移的基岩地震动时程作为基岩半空间入射波，进行场地土层地震反应计算分析，给出覆盖土层不同深度位置的场地地震动加速度时程；而后以土层中不同深度位置的地震动作为桥梁有限元模型中桩基相应深度处 p-y 弹簧场地端的输入运动，进行桥梁地震反应计算分析。3桥梁地震反应计算及不同地震作用反应特征与差异分析针对建立的桥梁结构有限元模型，分别采用上文确定的 3 种地震作用输入模式，计算桥梁墩顶相对位移、桥墩支座变形、桥墩墩底剪力、桥墩墩底弯矩和桥墩墩底扭矩等反应量。桥梁结构地震反应分析时，分别将地震作用输入模式 1 和模式 2 的计算记为工况 1 和工况 2，将地震作用输入模式 3 和模式 1 的桥梁反应叠加计算记为工况 3。3.1桥墩墩顶位移的响应3 种工况下横桥向墩顶相对位移时程如图 6，相对位移最大值和残余值如表 3 所示。从计算结果可以看出，非一致地震动作用模式（工况 2）和一致地震动作用模式（工况 1）的地震动输入导致桥墩顶相对位移反应计算结果产生较大的差异。这说明地震动永久性位移及断层两侧地震动差异会使桥梁墩顶的相对位移显著增加；同时，非一致地震动作用模式（工况 2）与一致地震动作用叠加断层错动位移静力作用（工况 3）结果的比较，表明两者具有较好的一致性，工况 3 也能较好地反映断层两侧地震动（包括永久性位移）差异对桥梁反应墩顶相对位移的影响，特别是对断层两侧离断层最近的桥墩 P3 和 P4，其最大值和残余值基本相同。3.2桥墩支座变形3 种工况下横桥向和顺桥向的桥墩支座变形最大值如图 7。从计算结果可以看出，非一致地震动作用模式（工况 2）和一致地震动作用模式（工况 1）的地震动输入导致桥墩支座横桥向变形反应计算结果在断层两侧最靠近断层的桥墩处产生较大差异。这说明地震动永久性位移会使桥梁的计算桥墩支座变形发生显著变化；同时，非一致地震动作用模式（工况 2）与一致地震动作用叠加断层错动位移静力作用（工况 3）结果的比较，表明两者有较好的一致性，工况 3 也能较好地反映断层两侧地震动（包括永久性位移）差异对 表 3 横桥向 P3 和 P4 墩顶相对位移最大值和残余值Table 3 Maximum and residual relative displacement of the pier top at P3 and P4 in the transverse direction工况最大值/cm（残余值/cm）P2P3P4P5P619.058 0（0.165 4）4.615 5（0.040 5）3.859 8（0.025 4）6.426 9（0.125 4）5.583 4（0.109 5）29.847 0（0.283 0）4.421 0（1.227 0）4.192 7（1.137 7）6.395 1（0.078 9）5.577 2（0.075 7）39.228 6（0.155 8）4.734 9（1.428 5）4.717 5（1.292 3）6.444 0（0.100 7）5.561 1（0.143 1）0510152025303540时间/s1050510相对位移/cm工况 1工况 2工况 3工况 1工况 2工况 30510152025303540时间/s(a)P3(b)P41050510相对位移/cm 图 6 横桥向 P3 和 P4 墩顶相对位移时程Fig.6 Relative displacement time histories on the top of pierP3 and P4 in the transverse direction208震灾防御技术18 卷桥梁反应桥墩支座变形的影响。3.3桥墩墩底剪力3 种工况下横桥向桥墩墩底剪力时程如图 8 所示，墩底剪力最大值和残余值如表 4 所示。从计算结果可以看出，墩底剪力时程与墩顶相对位移时程计算结果有类似的差异性趋势，即非一致地震动作用模式（工况2）和一致地震动作用模式（工况 1）的地震动输入导致墩底剪力反应计算结果产生较大的差异。这说明地震动永久性位移会使桥梁的计算墩底剪力显著增加；同时，非一致地震动作用模式（工况 2）与一致地震动作用叠加断层错动位移静力作用（工况 3）结果的比较，表明两者有较好的一致性，工况 3 也能较好地反映断层两侧地震动（包括永久性位移）差异对桥梁反应墩底剪力的影响。3.4桥墩墩底弯矩3 种工况下横桥向桥墩墩底弯矩时程如图 9 所示，墩底弯矩最大值和残余值如表 5 所示。从计算结果可以看出，墩底弯力时程与墩顶相对位移时程和墩底剪力时程计算结果亦有类似的差异性趋势，即非一致地震动作用模式（工况 2）和一致地震动作用模式（工况 1）的地震动输入导致墩底弯矩反应计算结果产生较大差异。这说明地震动永久性位移会使桥梁的计算墩底弯矩显著增加；同时，非一致地震动作用模式（工况 2）与一致地震动作用叠加断层错动位移静力作用（工况 3）结果的比较，表明两者有较好的一致性，工况 3 也能较好地反映断层两侧地震动（包括永久性位移）差异对桥梁反应墩底弯矩的影响，包括断层两侧离断层最近的桥墩 P3 和 P4，其最大值和残余值基本相同。表 4 横桥向 P3 和 P4 墩底剪力最大值和残余值Table 4 The maximum and residual shear force at the bottom of pier P3 and P4 in the transverse direction工况剪力最大值/kN残余剪力/kNP3P4P3P411037.934 01037.676 01030.004 41030.008 421037.693 01038.121 11031.747 91031.728 031038.587 61038.953 51031.930 61031.970 4 P3 左P3 右P4 左P4 右P5 左P5 右桥墩编号020406080支座变形最大值/cm工况 1工况 2工况 3工况 1工况 2工况 3(a)横桥向P3 左P3 右P4 左P4 右P5 左P5 右桥墩编号020406080支座变形最大值/cm(b)顺桥向 图 7 横桥向和顺桥向桥墩支座变形最大值Fig.7 Maximum deformation of bearing in the transversedirection and longitudinal direction 0510152025303540时间/s工况 1工况 2工况 3101剪力/kN1040510152025303540时间/s(a)P3(b)P4工况 1工况 2工况 3101剪力/kN104 图 8 横桥向 P3 和 P4 墩底剪力时程Fig.8 Shear force time histories at the bottom of the pierP3 and P4 in the transverse direction2 期李小军等：不同地震作用输入模式的跨断层桥梁地震反应分析2093.5桥墩墩底扭矩3 种工况下横桥向桥墩墩底扭矩时程如图 10 所示，墩底扭矩最大值和残余值如表 6 所示。从计算结果可以看出，非一致地震动作用模式（工况 2）和一致地震动作用模式（工况 1）的地震动输入导致墩底扭矩反应计算结果产生较大的差异。这说明地震动永久性位移会使桥梁的计算墩底扭矩显著增加；非一致地震动作用模式（工况 1）与一致地震动作用叠加断层错动位移静力作用（工况 3）结果的比较，表明两者之间的差异显著减小，但与其它反应量相比，墩底扭矩计算值之间的差异要明显，这同样也说明工况 3能反映断层两侧地震动（包括永久性位移）差异对桥梁反应墩底扭矩的影响，但其计算值还有一定程度的低估，这一点值得进一步关注。综上所述，非一致地震动作用模式和一致地震动作用模式的地震动输入会导致桥梁反应计算结果产生很大差异。这说明断层两侧地震动永久性位移差异的考虑会使桥梁反应的计算结果显著增加，这是一致地震动作用模式的地震动输入所不能考虑的。而一致地震动作用叠加断层错动位移静力作用的组合地震作用模式的 表 5 横桥向 P3 和 P4 墩底弯矩最大值和残余值Table 5 The maximum and residual bending moment atthe bottom of pier P3 and P4 in the transversedirection工况弯矩最大值/（kNm）残余弯矩/（kNm）P3P4P3P411051.779 01051.631 71040.001 61040.032 821051.692 11051.759 61044.750 41044.637 031051.783 01051.973 31045.286 81045.278 1 表 6 P3 和 P4 墩底扭矩最大值和残余值Table 6 The maximum and residual torque at the bottom of pier P3 and P4 in the transverse direction工况扭矩最大值/（kNm）残余扭矩/（kNm）P3P4P3P411045.436 21040.678 01040.022 51040.005 421045.363 51042.261 21042.043 61042.062 431045.212 21041.858 91041.752 31041.733 7 0510152025303540时间/s105202扭矩/(kNm)0510152025303540时间/s(a)P3(b)P4105202弯矩/(kNm)工况 1工况 2工况 3工况 1工况 2工况 3 图 9 横桥向 P3 和 P4 墩底弯矩时程Fig.9 Bending moment time histories of at the bottom of thepier P3 and P4 in the transverse direction 0510152025303540时间/s104扭矩/(kNm)505工况 1工况 2工况 30510152025303540时间/s(a)P3(b)P4104扭矩/(kNm)505工况 1工况 2工况 3 图 10 P3 和 P4 墩底扭矩时程Fig.10 Torque time histories of at the bottom of the pierP3 and P4 in the transverse direction210震灾防御技术18 卷结果与非一致地震动作用模式结果的比较，桥梁结构反应量计算结果之间的差异较小。计算分析结果进一步说明，在一定近似程度上讲，采用一致地震动作用叠加永久位移静力作用的等效组合模式可以有效地模拟实际地震作用状况下跨断层桥梁结构地震反应，这样也可以避开考虑永久位移地震动作用的结构反应模拟的复杂问题。4结语针对跨断层桥梁工程结构，计算分析了断层发震引起的断层两侧具有永久位移差异的地震动作用下结构地震反应特征，重点探讨了不同地震作用输入模式对桥梁结构地震反应计算结果的影响。研究得到了以下结论：（1）计算分析 3 种地震作用模式（有永久位移非一致地震动作用模式、无永久位移一致地震动作用模式、断层错动位移静力作用模式）的桥梁基础地震动输入下结构地震反应，展现了断层两侧地震动永久位移差异对桥梁结构反应的计算结果有显著影响，永久位移差异会较大程度地加大桥梁结构地震反应。（2）如果在一致地震动作用桥梁结构地震反应的基础上，叠加断层错动位移静力作用的结构反应，计算得到的结构反应与具有永久位移差异的非一致地震动作用的桥梁结构地震反应十分接近，特别是反应的最大值和残余值。（3）在一定近似程度上讲，跨断层桥梁结构地震反应可采用一致地震动作用叠加永久位移静力作用的等效地震作用方法模拟。本文基于算例计算分析，探讨了跨越发震断层桥梁结构地震反应及地震作用输入的有效处理方法，可为相关问题解决提供研究思路与参考。由于算例的特定性，本文仅考虑了桥梁正交跨越走滑断层这一特殊情况，所展现的研究结果有其局限性和普适性问题，有待于更多算例研究加以确认或订正。参考文献 陈令坤，张楠，夏禾，2016.方向脉冲及竖向效应对高铁桥梁地震响应影响.振动工