梅澤洪，李小軍，陳紅娟，李宗超，陳學(xué)良

1中國地震局地球物理研究所，北京100081

2北京工業(yè)大學(xué)，北京100124

0 前言

2021年5月22日，青海果洛州瑪多縣發(fā)生M7.4地震，震源深度17.0 km，此次地震造成距離震中約28 km處的野馬灘1、2號大橋發(fā)生破壞，其主要表現(xiàn)為橋梁北側(cè)縱向位移過大（1.2 m），橋臺擠壓拱起從而造成多跨主梁落梁破壞，如圖1所示.橋梁是交通工程中的關(guān)鍵樞紐，是道路工程的重要組成，在交通發(fā)展中起著非常重要的作用，橋梁的嚴(yán)重破壞不僅是結(jié)構(gòu)本身的經(jīng)濟(jì)損失，也會嚴(yán)重影響災(zāi)后抗震救援的效率.通過災(zāi)后調(diào)查，初步判斷橋梁場地的地震影響烈度均突破抗震設(shè)計值，場地地震動也可能具有速度脈沖特性.根據(jù)中國地震局公布的青海瑪多M7.4地震的地震烈度分布圖，野馬灘大橋位于烈度Ⅸ區(qū)，且橋梁場地非常靠近此次地震的斷層位置（約28 km），但是根據(jù)國家強(qiáng)震臺網(wǎng)提供的地震動記錄信息資料，離橋梁場地最近的強(qiáng)震動臺站為遠(yuǎn)在震中以西175 km處的大武臺站（063DAW）.另外，由于缺少野馬灘大橋的詳細(xì)設(shè)計資料，很難實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的精確建模.鑒于此，本文采用了另外一座結(jié)構(gòu)形式類似且抗震設(shè)防烈度相同的橋梁，通過Abaqus有限元程序計算，使用第五代地震動區(qū)劃圖(GB18306—2015)（中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖編寫組，2015）中的設(shè)計反應(yīng)譜作為參考，并使用Miyake（2003）及李宗超等（2016,2022）擬合的多條地震動時程和一條具有速度脈沖的近場地震動記錄（梅澤洪，2017）做為地震動輸入，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)計算分析，以揭示野馬灘橋梁的地震反應(yīng)特征和破壞機(jī)理.

圖1 野馬灘大橋整體和局部破壞情況（來自網(wǎng)絡(luò)）Fig.1 Overall and partial damage of Yematan bridge

1 橋梁模型與地震動輸入

1.1 橋梁模型和混凝土參數(shù)

因為未能獲取瑪多大橋的詳細(xì)設(shè)計資料和橋梁維護(hù)情況信息，本文擬選取一座同樣位于西部地區(qū)的混凝土橋梁，其抗震設(shè)防烈度為8度，與野馬灘大橋一致.本文選取這座橋梁模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計算分析，以考察瑪多地區(qū)該類橋梁的地震響應(yīng)特征.具體橋梁信息如下：跨徑為100 m×178 m×100 m的大跨橋梁，主梁為箱型變截面梁，墩高63 m，中墩墩梁固結(jié)，邊墩為活動墩，墩頂設(shè)雙板式橡膠支座.橋梁全部采用C30混凝土結(jié)構(gòu).橋梁整體有限元模型及前三階振型，如圖2所示.

圖2 橋梁有限元模型和前三階振型Fig.2 Finite element model and mode shape of the bridge

混凝土的動力特性對于模擬橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)是非常重要的.彈塑性模型和塑性損傷模型是現(xiàn)行描述混凝土材料非線性動力本構(gòu)的常用模型.采用彈塑性模型進(jìn)行混凝土宏觀力學(xué)分析是合理的.但是混凝土破壞過程有別于其他均質(zhì)材料. 混凝土材料的微觀破壞行為是其內(nèi)部裂縫產(chǎn)生，發(fā)展直至貫通.在循環(huán)荷載作用下其微觀破壞引起的混凝土剛度衰減是其破壞的主要因素.因此，本文擬采用Lee（1998）及Lubliner等（1989）等提出的混凝土塑性損傷模型，因為它能很好地模擬混凝土的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.橋梁結(jié)構(gòu)混凝土材料的具體參數(shù)見表1.混凝土的實驗和數(shù)值模擬下的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖3.

表1 橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的動塑性損傷模型參數(shù)Table 1 Dynamic plastic-damage model parameters of concrete for bridge structure

圖3 混凝土的實驗和數(shù)值模擬下的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Cyclic stress–strain curves of concrete tested and simulated by numerical modelling

1.2 地震動輸入選取

采用第五代地震動區(qū)劃圖（GB18306—2015）（中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖編寫組，2015）中的設(shè)計反應(yīng)譜作為參考，如圖4.因為野馬灘橋梁震害嚴(yán)重，已經(jīng)達(dá)到落梁破壞的程度，所以只選取其罕遇及極罕遇地震動反應(yīng)譜計算.

圖4 野馬灘大橋設(shè)計反應(yīng)譜Fig.4 Design response spectra of Yematan bridge

因為這次地震中野馬灘大橋周邊沒有獲取強(qiáng)震動記錄，本文選取李宗超等（2022）人工合成的地震動時程.李宗超（2016）提出將等效的M5.3～5.7的小震對應(yīng)的參數(shù)及時程引入經(jīng)驗格林函數(shù)法中，可獲得多組水平向的加速度時程.結(jié)果表明，利用多個等效震級獲得的野馬灘大橋處的PGA強(qiáng)度取值范圍約在320～620 cm/s2.該地震動強(qiáng)度也基本符合中國地震烈度表（GB/T17742—2020）（中國地震烈度表編寫組，2020）中關(guān)于Ⅸ度區(qū)對應(yīng)的PGA的取值范圍（4.02～8.30 m/s2）. 因此，本文選取兩條地震動峰值分別最大和最小的地震動作為輸入，如圖5a，圖中的震級數(shù)字表示將175 km處的大武強(qiáng)震動臺站記錄的地震動等效為野馬灘大橋處的地震動時可能對應(yīng)的震級.另外，根據(jù)中國地震局工程力學(xué)研究所地震災(zāi)后調(diào)查，大橋震害很可能與近場地震動的速度脈沖特性影響相關(guān)，因此，本文再選取一條1994年Northridge 7.1級地震，Newhall-W.Pico Canyon Rd臺站的具有速度脈沖特性的地震動記錄作為第三條地震動輸入. 三條地震動時程如圖5b所示.

圖5 選取的地震動時程.（a）合成的地震動時程；（b）Northridge地震動加速度時程和速度時程Fig.5 Chosen time history for anaysis.(a)Synthetic ground shaking time interval;(b)Acceleration time and velocity time of Northridge ground shaking

2 計算結(jié)果和分析結(jié)論

通過Abaqus有限元計算，本文共計算了5個工況，分別是通過極罕遇地震動和罕遇地震動的設(shè)計反應(yīng)譜計算橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，時程分析的輸入包括等效的M5.3（時程一）、M5.7（時程二）和Northridge地震動記錄（時程三）.限于篇幅，本文只給出了各個工況地震作用下橋梁的中墩沿橋梁高度的最大位移（圖6）、中墩墩頂和墩底的最大應(yīng)力值（圖7）和沿橋梁縱向上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值（圖8）.

從圖6看，橋墩頂部最大位移，時程一為35.3 cm非常接近極罕遇地震的35.6 cm，時程二和時程三的最大位移為21.4 cm和26.2 cm，均接近或者大于罕遇地震的22.6 cm；從圖7看，橋墩的最大應(yīng)力也是時程一的11.1 MPa接近極罕遇地震的11.9 MPa，時程二和時程三的最大應(yīng)力都略小于罕遇地震的最大應(yīng)力5.3 MPa；從圖8看，橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁的應(yīng)力也是時程一的11.5 MPa接近極罕遇地震的12.4 MPa,其余時程工況下的上部結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力接近罕遇地震設(shè)計的最大應(yīng)力.總的來說，時程一的橋梁地震反應(yīng)幾乎等于橋梁極罕遇地震的地震反應(yīng)，時程二的橋梁地震反應(yīng)也接近橋梁罕遇地震作用的反應(yīng)，時程三的橋梁地震反應(yīng)介于罕遇和極罕遇地震作用的反應(yīng)之間.結(jié)果表明，瑪多地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度的橋梁地震反應(yīng)巨大，存在破損甚至倒塌的可能.

圖6 橋梁中墩的最大位移Fig.6 The displacment of the bridge's mid-colume

圖7 中墩墩頂和墩底的最大應(yīng)力值Fig.7 Maximun stress of bent top and bent bottom the bridge's mid-colume

圖8 橋梁上部結(jié)構(gòu)沿橋梁縱向應(yīng)力最大值Fig.8 Maximun stress of supperstructure along the bridge

本文通過遠(yuǎn)處臺站地震動記錄合成的瑪多地區(qū)的地震動和類似震級的地震動記錄作為地震輸入，對一橋梁模型進(jìn)行有限元時程分析計算，其結(jié)果與第五代地震動區(qū)劃圖（GB18306—2015）（中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖編寫組，2015）中設(shè)計地震動反應(yīng)譜的對比，結(jié)果表明瑪多地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度的橋梁有坍塌損毀的可能.具體結(jié)論如下：

（1）將基于野馬灘大橋外175 km的強(qiáng)震動臺站記錄合成的地震動和相似震級的具有速度脈沖特性的地震動記錄作為輸入，對某座結(jié)構(gòu)形式類似且抗震等級相同的大跨橋梁進(jìn)行有限元時程分析，結(jié)果表明在設(shè)計罕遇或極罕遇地震動水平下野馬灘大橋會發(fā)生落梁破壞，與這次瑪多地震現(xiàn)場橋梁震害調(diào)查分析結(jié)論一致.但是因為此橋梁和真實的野馬灘大橋還是有很大區(qū)別，在結(jié)構(gòu)反應(yīng)上會有一定的不確定性，會在以后的研究中加以補(bǔ)充；

（2）地震災(zāi)后快速評估中，在沒有橋梁結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確信息和工程場地附近沒有強(qiáng)震動臺站記錄的情況下，采用本文建議的方法能快速有效地分析與評估橋梁的震害情況，可以為地震災(zāi)后救援提供有效、快速的幫助.

致謝

感謝中國地震局工程力學(xué)研究所和強(qiáng)震動課題組為本研究提供數(shù)據(jù)支持.

附中文參考文獻(xiàn)

李宗超，陳學(xué)良，高孟潭，等.2016.經(jīng)驗格林函數(shù)方法模擬強(qiáng)地面運(yùn)動的研究進(jìn)展[J].世界地震工程，32（2）：209-216.

李宗超，孫吉澤，高孟潭，等.2022.青海瑪多M7.4 地震中野馬灘大橋地震動特征初判[J].地球與行星物理論評，53（1）：101-106.

梅澤洪，李小軍，王玉石，蘭日清.2017.考慮場地效應(yīng)的非一致激勵下橋梁地震響應(yīng)特點分析[J].震災(zāi)防御技術(shù)，12（3）：646-654.

中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖編寫組.2015.GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

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