行波效應(yīng)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的研究

葉劉克

(安徽省七星工程測(cè)試有限公司，安徽 合肥 230000)

1 概述

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題一直備受關(guān)注，由于大跨度橋梁各支撐相距較遠(yuǎn)，導(dǎo)致地震波在傳播過(guò)程中到達(dá)各支撐點(diǎn)的時(shí)間必然會(huì)存在一定差異[1-3]，而這種時(shí)間上的差異就稱(chēng)為行波效應(yīng)。

在進(jìn)行大跨度橋梁結(jié)構(gòu)抗震研究時(shí)，若僅對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行一致地震輸入，而忽略這種時(shí)間上的差異可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的不安全，因此在進(jìn)行大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)不能單一考慮一致地震輸入，而需要進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)或非一致激勵(lì)[4]。

2 工程背景

橋址位于渭北黃土臺(tái)塬及溝壑區(qū)，地形起伏，線路行進(jìn)在黃土臺(tái)塬地段，途經(jīng)地區(qū)沖溝較發(fā)育，主橋(97+2×180+97)m加勁鋼桁連續(xù)剛構(gòu)主跨分別跨越司家溝和漠谷河兩條大型黃土沖溝，無(wú)常年流水。漠谷河大里程側(cè)為階形臺(tái)地，地形較緩。橋址處地震動(dòng)峰值加速度值為0.15g，橋址區(qū)場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)[5]。

(97+2×180+97)m加勁鋼桁連續(xù)剛構(gòu)，主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，邊跨及中跨梁高4.8 m，中支點(diǎn)處梁高12.5 m，梁高按1.6次拋物線變化，主梁中跨跨中40 m為等截面，梁高4.8 m。加勁鋼桁為無(wú)豎桿三角形桁，整體式節(jié)點(diǎn)，中跨156 m范圍內(nèi)設(shè)置加勁鋼桁，節(jié)間長(zhǎng)度12.0 m，主桁中心距11.0 m，桁高12.0 m。該橋立面布置圖如圖1所示。

3 有限元模型

本橋以MIDAS軟件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，全橋共劃分為305個(gè)節(jié)點(diǎn)，337個(gè)單元，2號(hào)～4號(hào)墩頂剛性連接，承臺(tái)底固結(jié)，模型如圖2所示。

4 行波效應(yīng)分析

由于行波效應(yīng)的存在，地震波到達(dá)相鄰承臺(tái)底必然會(huì)有一定的時(shí)間差，因此，就需要對(duì)此類(lèi)橋梁考慮多點(diǎn)激勵(lì)問(wèn)題。

4.1 視波速的選取及滯后時(shí)間計(jì)算

為了研究行波效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，選取視波速為200 m/s,300 m/s,400 m/s,500 m/s,800 m/s,1 200 m/s,1 800 m/s，并與一致激勵(lì)進(jìn)行對(duì)比，視波速及地震波到達(dá)各承臺(tái)底支撐點(diǎn)的滯后時(shí)間如表1所示。

表1 視波速及承臺(tái)底激勵(lì)滯后時(shí)間

4.2 地震波縱向作用

選取Fernando波沿順橋向進(jìn)行輸入，假設(shè)地震波從1號(hào)墩向5號(hào)墩傳播。

4.2.1 不同波速下位移對(duì)比分析

根據(jù)理論計(jì)算模型，提取1號(hào)～5號(hào)墩墩頂縱向位移及主要控制截面1-1截面～4-4截面縱向位移如表2，表3所示。

表2 不同波速下各墩頂縱向位移(一)

表3 不同波速下主要控制截面縱向位移(一)

由表2，表3可知：1)當(dāng)視波速較小時(shí)，墩頂及主要控制截面的縱向位移大于一致激勵(lì)下的縱向位移。2)當(dāng)波速為300 m/s時(shí)，2號(hào)墩～5號(hào)墩墩頂最大縱向位移分別是一致激勵(lì)下縱向位移的1.14倍、1.45倍、1.41倍和1.23倍。3)當(dāng)波速為300 m/s時(shí)，1-1截面～4-4截面最大縱向位移分別是一致激勵(lì)下縱向位移的1.17倍、1.24倍、1.31倍和1.27倍。4)因此進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，從位移角度來(lái)看僅考慮一致激勵(lì)，結(jié)構(gòu)是偏于不安全狀態(tài)的。

4.2.2 不同波速下內(nèi)力對(duì)比分析

根據(jù)理論計(jì)算模型，提取1號(hào)～5號(hào)墩墩頂彎矩及主要控制截面1-1截面～4-4截面彎矩作為重點(diǎn)考察的量值，如表4，表5所示。

表4 不同波速下墩底彎矩My(一)

表5 不同波速下主要控制截面彎矩My(一)

由表4,表5可知：1)當(dāng)視波速較小時(shí)，墩底及主要控制截面的最大彎矩大于一致激勵(lì)下的彎矩。2)當(dāng)波速為300 m/s時(shí)，2號(hào)墩墩底最大彎矩是一致激勵(lì)下的1.59倍；當(dāng)波速為200 m/s時(shí)，3號(hào)墩墩底最大彎矩是一致激勵(lì)下的1.32倍；當(dāng)波速為400 m/s時(shí)，4號(hào)墩墩底最大彎矩是一致激勵(lì)下的1.8倍。3)當(dāng)波速為300 m/s時(shí)，1-1截面最大彎矩是一致激勵(lì)下的1.25倍；當(dāng)波速為300 m/s時(shí)，2-2截面最大彎矩是一致激勵(lì)下的2.43倍；當(dāng)波速為200 m/s時(shí)，3-3截面最大彎矩是一致激勵(lì)下的2.01倍；當(dāng)波速為400 m/s時(shí)，4-4截面最大彎矩是一致激勵(lì)下的2.49倍。4)因此進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)從內(nèi)力角度來(lái)看僅考慮一致激勵(lì)，結(jié)構(gòu)是偏于不安全狀態(tài)的。

4.3 地震波雙向正交分量聯(lián)合作用

選取Fernando波沿順橋向和橫橋向兩個(gè)方向進(jìn)行輸入。

4.3.1 不同波速下位移對(duì)比分析

根據(jù)理論計(jì)算模型，提取1號(hào)～5號(hào)墩墩頂縱向位移及主要控制截面1-1截面～4-4截面縱向位移見(jiàn)表6～表9。

表6 不同波速下各墩頂縱向位移(二)

表7 不同波速下各墩頂橫向位移

表8 不同波速下主要控制截面縱向位移(二)

表9 不同波速下主要控制截面橫向位移

由表6，表9可知：1)地震波雙向正交分量聯(lián)合作用下墩頂及控制截面縱向位移同地震波縱向作用。2)當(dāng)波速為1 800 m/s時(shí)，2號(hào)墩墩頂橫向位移是一致激勵(lì)的1.02倍；當(dāng)波速為400 m/s時(shí)，3號(hào)墩墩頂橫向位移是一致激勵(lì)的1.30倍；當(dāng)波速為800 m/s時(shí)，4號(hào)墩及5號(hào)墩墩頂橫向位移分別是一致激勵(lì)的1.29倍和1.22倍。3)當(dāng)波速為1 800 m/s時(shí)，2-2截面橫向位移是一致激勵(lì)的1.04倍；當(dāng)波速為800 m/s時(shí)，4-4截面橫向位移是一致激勵(lì)的1.29倍。4)因此進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，從位移角度來(lái)看僅考慮一致激勵(lì)，結(jié)構(gòu)是偏于不安全狀態(tài)的。

4.3.2 不同波速下內(nèi)力對(duì)比分析

根據(jù)理論計(jì)算模型，提取1號(hào)～5號(hào)墩墩頂彎矩及主要控制截面1-1截面～4-4截面彎矩作為重點(diǎn)考察的量值，見(jiàn)表10～表13。

表10 不同波速下墩底彎矩My(二)

表11 不同波速下墩底彎矩My(三)

表12 不同波速下主要控制截面彎矩Mz(一)

表13 不同波速下主要控制截面彎矩Mz(二)

由表10，表13可知：1)地震波雙向正交分量聯(lián)合作用下墩底及控制截面My方向彎矩同地震波縱向作用。2)當(dāng)波速為800 m/s時(shí)，2號(hào)墩墩底最大彎矩是一致激勵(lì)下的1.33倍；當(dāng)波速為500 m/s時(shí)，4號(hào)墩墩底最大彎矩是一致激勵(lì)下的1.18倍；當(dāng)波速為400 m/s時(shí)，4號(hào)墩墩底最大彎矩是一致激勵(lì)下的2.1倍。3)當(dāng)波速為1 800 m/s時(shí)，1-1截面Mz方向彎矩是一致激勵(lì)的1.17倍；當(dāng)波速為800 m/s時(shí)，2-2截面及3-3截面Mz方向彎矩分別是一致激勵(lì)下的1.11倍和1.27倍；當(dāng)波速為400 m/s時(shí)，4-4截面Mz方向彎矩是一致激勵(lì)的1.42倍。4)因此進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)從內(nèi)力角度來(lái)看僅考慮一致激勵(lì)，結(jié)構(gòu)是偏于不安全狀態(tài)的。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)加勁鋼桁連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行行波效應(yīng)分析得出以下結(jié)論：1)對(duì)大跨度加勁鋼桁連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，按一致激勵(lì)進(jìn)行地震響應(yīng)分析并非總是偏于安全的。2)考慮行波效應(yīng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移和地震動(dòng)的輸入及自身特性有關(guān)，沒(méi)有過(guò)多規(guī)律可言，但總體而言，視波速越小時(shí)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)越大。3)在進(jìn)行抗震研究時(shí)，應(yīng)該根據(jù)場(chǎng)地條件選擇不同地震波，分析不同視波速下的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，并對(duì)比一致激勵(lì)，選擇最不利的情況進(jìn)行抗震驗(yàn)算。