(廣州大學(xué) 廣東 廣州 510000)

一、研究意義

通常情況下抗震設(shè)計(jì)或分析中常不考慮豎向地震動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)者認(rèn)為水平地震力對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞起著決定性作用，而豎向地震力的作用微不足道。但是最近多次近斷層區(qū)域的地震震害現(xiàn)象表明，近場地震動(dòng)豎向加速度分量對(duì)橋梁破壞狀態(tài)和破壞程度的影響是不容忽視的。近年來的集集地震和汶川玉樹地震的震害調(diào)査結(jié)果表明，很多橋梁結(jié)構(gòu)的破壞中都發(fā)現(xiàn)了豎向地震用留下的痕跡，而且發(fā)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)破壞是直接因豎向地震作用而引起的，在高烈度區(qū)的近斷層區(qū)域，這種現(xiàn)象變得更加顯著，在部分近斷層及發(fā)震斷裂向地震動(dòng)峰值加速度竟然超過相應(yīng)的水平峰值加速度。

例如在1971年美國 San Femando地震中就記錄到豎向1.25g加速度，當(dāng)時(shí)曾被認(rèn)為是記錄到的最大加速度之一。在1976年前蘇聯(lián)格茲里地震中，就記錄到了1.39g的最大豎向峰值加速度，豎向和水平向峰值加速度的比值更是達(dá)到1.63；在1979年美國的帝國山谷地震中，在斷層10km附近的11個(gè)記錄中，其中的一條地震動(dòng)記錄，豎向峰值加速度居然達(dá)到驚人的1.759g，在1994年 Northridge地震臺(tái)站記錄到的2個(gè)水平向峰值加速度為1.59g、1.29g和豎向峰值加速度為1.23g，而此臺(tái)站離發(fā)震斷層只有8km，可以看出豎向加速度峰值很接近水平向加速度的峰值。在此之后顯著的豎向地震動(dòng)及其造成的結(jié)構(gòu)破壞開始得到更多的關(guān)注，2008年我國汶川地震中，百花大橋橋墩在墩底大量產(chǎn)生壓潰破壞。

近場豎向地震動(dòng)是導(dǎo)致橋墩壓潰的直接原因。這一現(xiàn)象表明，針對(duì)近場豎向地震動(dòng)，在橋梁設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮這一原因。近年來我國西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大跨度橋梁數(shù)目不斷增加，針對(duì)該體系的不足，開展近場地震動(dòng)研究顯得非常緊迫。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近場地震動(dòng)是我們大家比較熟悉的概念，它指的是在震源的情況下，不能忽略地震波中的近場和中場區(qū)域的地震動(dòng)。近場地震動(dòng)是近期各國學(xué)者常常提到的一個(gè)術(shù)語。但是直到現(xiàn)今為止，近斷層區(qū)域始終沒有一個(gè)比較公認(rèn)的定義，一般來說，將在斷層破裂面20km以內(nèi)的區(qū)域作為近斷層區(qū)域。近年來近場地震動(dòng)在地震學(xué)領(lǐng)域和地震工程領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。很多研究已表明，近斷層地震動(dòng)具有脈沖特征和大幅值豎向加速度等顯著區(qū)別于遠(yuǎn)場地震動(dòng)的特性。大幅值豎向地震動(dòng)是近斷層地震動(dòng)特性之一，這種特性在很多次強(qiáng)地震中的近斷層區(qū)域地震動(dòng)記錄中都有所體現(xiàn)。國內(nèi)外學(xué)者就脈沖特征做了大量的研究，相比之下大幅值豎向地震動(dòng)的研究則相對(duì)較少。但是越來越多的證據(jù)表明，在近場區(qū)，豎向地面加速度的影響是不可忽視的。

1957年錢培風(fēng)[1]教授首先提出豎向地震作用是造成某些磚煙囪破壞的主要原因。

1958年王光遠(yuǎn)教授[2]對(duì)高聳結(jié)構(gòu)在豎向地震動(dòng)作用下的反應(yīng)提出了一種數(shù)學(xué)模擬和計(jì)算方法。

1959年前蘇聯(lián)的一位學(xué)者研究了豎向地震動(dòng)下實(shí)體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

1995年1月17日發(fā)生在日本阪神大地震也給科學(xué)界和工程界留下發(fā)人深省的問題：這次地震(在震中地區(qū))豎向地震作用超過了水平地震作用。

1995年 Elnashai[3]對(duì) Northridge地震中一座破壞的公路橋梁進(jìn)行3向的非線性分析，發(fā)現(xiàn)豎向地震作用使橋墩軸向力發(fā)生變化，同時(shí)降低了其抗剪承載力。

1996年Yanf[4]分析了3座人行天橋的橋墩、基礎(chǔ)、蓋梁在地震作用下的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)與水平地震單獨(dú)作用相比，考慮豎向地震作用后橋墩的軸力增大了20%，墩底彎矩增大。

2002年Button進(jìn)行了6座橋在6.5以及7.5地震烈度中，水平和豎向地震作用共同作用下的反應(yīng)譜分析，并對(duì)其中3座進(jìn)行了線性時(shí)程分析，對(duì)其中1座進(jìn)行了非線性時(shí)程分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，豎向地震作用并不會(huì)明顯影響結(jié)構(gòu)的水平地震響應(yīng)，但會(huì)對(duì)橋墩的軸力造成很大影響，尤其是對(duì)于橋梁所在位置震源深度小于10～20km時(shí)。

王常峰和陳興沖等[5]通過具體算例研究了豎向地震動(dòng)對(duì)不同剛度橋梁抗震性能的影響，結(jié)果表明考慮豎向地震動(dòng)后，橋墩墩底彎矩、支座剪力、支座豎向反力、滑動(dòng)位移在某些情況下較不考慮豎向地震動(dòng)大，說明豎向地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有較大影響。

Kunnath等[6]研究分析了近場區(qū)豎向地震對(duì)公路立交橋的影響。通過大量非線性時(shí)程分析，考慮近場區(qū)水平和豎向兩個(gè)方向分量的聯(lián)合作用。分析結(jié)果表明地震動(dòng)的豎向分量能夠顯著的增加柱中的軸力以及梁跨中和蓋梁處的彎矩需求。柱的軸向承載力和梁在蓋梁處的抗彎承載力足以對(duì)抗豎向地震所引起的作用。然而豎向地震動(dòng)所引起的梁的跨中負(fù)彎矩則超過了其承載力。大跨度橋梁設(shè)計(jì)中，在近場區(qū)應(yīng)該考慮豎向地震動(dòng)的不利影響。

三、發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

近場豎向地震動(dòng)對(duì)橋梁不利影響已經(jīng)引起業(yè)內(nèi)專家的重視，但是近場地震動(dòng)下大跨度剛構(gòu)橋橋墩處設(shè)置塑性鉸還有待進(jìn)一步研究，橋墩處設(shè)置塑性鉸認(rèn)為一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受力時(shí)出現(xiàn)某一點(diǎn)相對(duì)面的纖維屈服但未破壞等優(yōu)點(diǎn)，具有非常好的應(yīng)用前景。作為針對(duì)這種塑性鉸破壞機(jī)理，提出可行性解決方案尚需進(jìn)一步研究；塑性鉸在近場地震中起到的作用也需進(jìn)一步研究。因此，本人認(rèn)為需開展以下研究：(1)通過有限元數(shù)值分析，研究近場豎向地震動(dòng)作用對(duì)大跨度剛構(gòu)橋破壞機(jī)理和抗震性能的影響。(2)在確定該橋梁地震響應(yīng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)在豎向地震動(dòng)作用下大跨度剛構(gòu)橋?qū)蚨账苄糟q的破壞機(jī)理研究。(3)基于所研究的豎向地震動(dòng)作用下，揭示Abaqus大軸力塑性鉸精細(xì)化分析，進(jìn)一步探討基于這種塑性鉸失效機(jī)理，提出可行性解決方案。探明不同峰值的近場豎向加速度對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞，探明同等峰值的豎向加速度對(duì)不同塑性鉸單元橋墩的影響。研究成果可揭示近場豎向地震動(dòng)作用下大跨度剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)的反應(yīng)規(guī)律，對(duì)于大跨度剛構(gòu)橋抗震設(shè)計(jì)具有重要意義；闡明塑性鉸單元對(duì)橋墩承載力的影響，闡明針對(duì)這種塑性鉸破壞機(jī)理，提出可行性解決方案，為以后同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和修復(fù)提供提供參考和依據(jù)。