罗 娜

(福州市规划设计研究院集团有限公司 福建福州 350000)

0 引言

我国处于地震频发地区，地震具有“频次多、强度大、分布广、震源浅”等特点，对桥梁结构的破坏较大。桥梁工程作为交通运输的重要组成部分，是为救灾活动的生命线工程，若遭到地震的破坏，将导致救灾困难加大[1]。因此，研究桥梁在地震震动过程中的相应规律，提高桥梁的抗震能力，为采取有效抗震措施提供科学依据。

在大地震近场，地震动受震源控制显著，在近断裂效应的影响下更为复杂。目前大震近场强震记录数量较少，限制了近场地震动的工程破坏效应研究进展。2018年2月4日21时56分，中国台湾花莲县附近发生6.4级地震，震源深度约10 km。此次地震造成17人死亡，295人受伤，至少175幢建筑物受损，4幢坍塌。2月6日23时50分，台湾花莲县附近海域发生6.5级地震余震，震中位于北纬24.13°、东经121.71°，震源深度11.0 km。两次地震都属强震，且发震断层穿过花莲城区，破坏力大，发震断层的近场观测台站成功收集到了主震和强余震的地震动记录，部分地震动记录表现出特殊的近断裂特性，对研究地震动的近场效应及工程破坏作用力非常宝贵。本文利用花莲地震的大量近场记录，开展近场强地震动特征研究，分析其对自振周期不同的桥梁结构的破坏作用，为桥梁的抗震设防设计和采取抗震措施提供科学依据。

1 花莲地震数据下载和处理

1.1 数据下载

本文采用从台湾省地球物理气象局地球物理数据下载中心下载的花莲地震数据[2]，地震时间为2018年2月4日21时56分，并选择以下19条进场强地震动记录数据，台站名称(Station)和震中距(Distance)如表1所示。

表1 花莲地震数据记录

1.2 数据处理

对各原始数据进行基线调整、滤波和积分处理。

首先，基线调整。消除读数器的系统误差和地震中记录纸畸变导致的记录基线误差。

其次，滤波去除高低频噪音。采用带通Butterworth滤波器，高频和低频截止频率分别为0.2Hz和10Hz。滤波前和滤波后的地震动时程对比图(图1)，通过图1可以看出，滤波可较好地去除高低频噪音。

图1 典型记录的滤波对比图

最后通过积分，得到19个台站地震动的速度和位移时程图。以HWA036台站的水平分量地震动时程图为例，如图2所示。

图2 HWA036台站的水平分量地震动时程图

1.3 幅值特征

幅值参数表征地震动的强度，即表征其对结构物破坏力的大小，对19个台站两个水平分量的峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration，以下简称PGA)、峰值地面速度(Peak Ground Velocity，以下简称PGV)、峰值地面位移(Peak Ground Displacement，以下简称PGD)按照台站的震中距升序排列，结果如表2所示。

表2 花莲地震数据记录

根据表2中的幅值数值，绘制幅值随震中距分布的散点图，如图3～图5所示。图中可见，PGA、PGV和PGD都表现出随震中距增加而降低的特点。在20 km～30 km处地震动幅值较大，是由于该台站距离发震断层的最小距离，比距离地震破裂起始点的距离更小。

图3 PGA随震中距分布图

图4 PGV随震中距分布图

图5 PGD随震中距分布图

1.4 持时特征

持时属工程结构抗震设计与研究中不可或缺的地震动参数之一，目前尚无统一的定义，其种类不下 40余种(Bommer and Martinez，2000)[3]。本文采用较常用的显著持时作为花莲地震持时的衡量指标。显著持时基于地震动能量累积过程定义，通过能量达到两个规定阈值之间的时间段确定。工程中常取能量由5%累积至95%之间的时间段，即为5%～95%显著持时，也是目前应用最为广泛的显著持时类型；为强调体波能量，有时也取能量累积由5%～75%之间的时间段，为5%～75%显著持时，本文讨论的显著持时(Ds)均为5%～95%显著持时(Ds595)。

本文计算了19个台站的显著持时，如表2所示，发现持时集中在15 s～25 s。同时绘制了显著持时随震中距衰减的散点图，如图6所示。从图中可以看出，显著持时并未表现出明显的随震级下降或上升的特征，这也与显著持时的定义相符。显著持时的计算，更多决定于时程自身Arias曲线的坡度，而受震中距的影响较小。

图6 显著持时随震中距分布图

1.5 频谱特征

频谱表征组成地震动时程的各频率成分的振幅、能量等信息，通过对地震动的频谱分析，可以发现，地震动中能量较为显著的频率组成，从而判断其对不同结构物的影响。本文利用Matlab语言编制计算幅值、持时和傅立叶谱、反应谱的程序，并通过程序计算19个台站两分量地震记录的加速度、速度、位移反应谱和傅立叶谱，部分台站的傅立叶谱和反应谱图如图7所示。

图7 HWA036和HWA014台站的加速度、速度、位移傅立叶谱和反应谱图

由图中可知，花莲地震记录的短周期成分非常显著，大部分台站卓越周期都位于1 s以上周期段，这类地震动记录，对自振周期较长的构筑物可能产生较大影响。

2 桥梁结构响应分析

2.1 计算模型

本文采用一桥长19.96 m，桥面净空为7 m+2×0.75 m人行道的钢筋混凝土简支T型桥为具体算例，混凝土采用C30，主筋用HRB335钢筋，其他用R235钢筋，全断面五片主梁，设五根横梁。在有限元分析软件Midas Civil中建模，静力工况考虑桥面铺装和人行道铺装和自重。

同时建立另一个桥梁结构模型，边界条件处即与基础的连接、桥面和墩台的连接进行不同设置，从而两个桥梁模型的自振周期不同。A桥(自振周期1 s)和B桥(自振周期0.6 s)。A、B两桥有限元模型如图8～图9所示。

图8 A桥计算模型(长周期)

图9 B桥计算模型(非长周期)

A模型共196个单元，187个节点。B模型共196个单元，189个节点。采用时程分析法进行桥梁结构地震响应分析。在开展分析前，对桥梁结构先行开展振型分析，可以得到桥梁的各项动力特性值，包含振型形状或振型形象、固有周期、固有频率、振型参与系数、振型参与质量等。

本文首先将桥面铺装和人行道铺装荷载转化为质量；然后定义特征值分析控制信息。常用的振型分析方法有子空间迭代法、Lanczos方法和多重Ritz向量法，本文采用Lanczos方法，能比子空间迭代法计算速度快4～10倍。

《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)规定[4]，需保证参与系数达到 90% 以上，这是尽可能包含对分析结果有影响的大部分主要振型。本文A、B两桥在顺桥向和横桥向的参与系数总和均已符合规范规定要求，其中最高为96.95%，最低为93.10%。B桥在输入一条地震波的反应结果，如表3所示。

表3 B桥特征值模态

2.2 响应结果

取本次台湾花莲地震三组地震动时程，同样动力时程反应的地震激励采用顺桥向和横桥向2种方式，结构动力反应的荷载组合为2向地震力加恒载作用，选取阻尼比为0.05，分析步长为0.005 s，A、B两桥各控制截面(支座和跨中截面)的部分内力、位移等结果如图10～图17所示。

图10 A桥在顺桥向激励下的MY

图11 B桥在顺桥向激励下的MY

图12 A桥在横桥向激励下的MY

图13 B桥在横桥向激励下的MY

图14 A桥跨中在顺桥向激励下的水平方向时程数据

图15 B桥跨中在顺桥向激励下的水平方向时程数据

图16 A桥在顺桥向激励下的X向位移

图17 B桥在顺桥向激励下的X向位移

2.3 响应分析的结论

通过A、B桥梁相应结果数据对比，发现在选取的花莲地震近场强地震动输入的情况下，自振周期长的A桥桥梁受地震激励后，内力反应如弯矩、位移等均远远大于B桥，证明花莲地震显著的周期成分，会引起自振周期较长的构筑物的较大反应。

3 结语

本文选取2018年花莲地震的部分近场强地震动记录，通过数据处理后计算每条地震动时程的幅值、持时、频谱特征等三要素，并探讨地震动三要素的空间变化特征，重点探讨由方向性效应引起的地震动周期特征引起的桥梁结构响应。以典型钢混简支T型桥梁结构为例，建立结构分析模型，选取3个花莲地震近场强地震动加速度时程记录分别输入不同振动周期的桥梁模型，分析花莲地震记录引起的桥梁结构响应特征，得出了以下几点结论：

(1)大部分花莲地震记录都表现出显著的短周期特征，PGA、PGV和PGD都表现出随震中距增加而降低的特点，大部分记录的卓越周期都位于1 s左右周期段。

(2)将花莲地震记录输入自振周期分别为0.6 s和1 s的钢筋混凝土简支梁桥，对结构进行响应分析，发现自振周期较长的桥梁模型给出的响应更大，甚至严重破坏，从而证明短周期成分显著的花莲近场地震记录，对自振周期为1 s的桥梁造成更多的不利影响。

(3)采用动力时程分析法来分析桥梁地震响应，考虑了地震动的三要素和结构的非线性问题。但计算较为复杂，并且需要对计算结果进行统计分析，有一定的应用局限性。