行波效应对大跨度刚构桥地震反应的影响

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 22江苏建筑2005年增刊(总第102期) 行波效应对大跨度刚构桥地震反应的影响 张伟 1 ,张茜 1 ,黄中文 1 ,张贵生 2 ( 1长安大学公路学院 ,陕西西安710064;2淮安市建设局,江苏淮安223001) 摘要地震输入问题一直是工程结构抗震研究所关注的焦点。大跨度桥梁结构各地面支承距离较大、 延伸较长,进行 进震反应分析时应考虑各支承处地震波的不同(多点激励)以及地震波有限波速传播所引起的行波效应。 文章以洛河特大桥 为例,进行了基于多点激励与行波效应下的动态时程地震反应分析,并比较了考虑多点激励与行波效应对该桥各项地震响 应的不同影响。 关键词桥梁工程;桥梁地震反应;时程分析;多点激励;行波效应;连续刚构桥 中图分类号U448. 23文献标识码A文章编号1005 - 6270(2005) SO- 0022 - 05 The Effects of Traveling Wave to the Seismic Response of Long - Span Rigid - framed Bridge ZHANG WeiZHANGQianHUANG Zhong- shengZHANG Gui - sheng Abstract : Earthquake input pattern has become a privcipal focus in te research on earthquadke - resistance of engi2 neering structures. For long- span bridges ,the more rational method for seismic response analysis should be performed considering the multiple support excitation and traveling wave effect. In this paper , the methods of seismic response analysis for Luohe bridges considering traveling wave effect and the seismic responses are established. This paper also compares the different effects between multipl support excitation and traveling waves to the bridges. Keywords :Bridge Engineering;Seismic Respones Analysis; T ime History Analysis;Multi - Support Excitation; Travel2 ing Wave Effect;Continuous Rigid - Framed Bridge 收稿日期2005206206 作者简介张伟,男 (1979 ) , 长安大学硕士研究生,从事桥梁抗震及 其控制方面的研究。 0前言 地震动以波的形式向四周传播,在传播过程中,不仅有 时间上的变化特性,而且存在着明显的空间变化特性,地震 动的这种空间变化特征主要表现为以下3个方面: 部分 相干效应,由地震波在地层的不同介质中的折射、 反射和散 射以及由一个延伸的震源到达时不同的迭加所产生; 行 波效应,由在不同站点处地震波到达时间的差异所产生; 局部场地效应,由不同站点处局部土壤条件的差异所产 生。 基于以上的地震动的特点,对一个桥梁结构进行地震反 应分析的首要问题即就是地震动的输入问题,对于跨度比 较小的桥梁结构,忽略地震动的空间变化特性是能够满足 其抗震设计要求的,但对于大跨度桥梁结构受地震动空间 变化特征的影响,不同支承处地震波的振幅和频率是不同 的,因此大跨度桥梁合理的地震动输入方法考虑地震动场 点的振动相关性(多点激励方式 ) , 同时考虑由于地震动的 波传播特性使得其到达各桥墩基础有一定的时间差(行波 效应)的方式进行地震反应分析。 目前,桥梁结构地震反应分析方法可以分为两大类:一 类是以地面运动为确定过程的确定性地震反应分析,一类 是以地震地面运动为随机过程的概率性地震反应分析。确 定性分析方法主要包括动力反应谱法和动态时程分析法, 在工程实践中有广泛的应用。概率性分析方法主要是指随 机振动方法,该法建立在地面运动统计特征的基础上,提供 了对响应的统计度量,而不受任意选择的某一个输入的控 制。通常认为随机振动分析方法计算量很大,难度较高,故 不利于工程实用。对于大跨度桥梁地震反应分析的一种实 用合理的方法是考虑行波效应的动态时程分析法,基于此 种分析方法对一大跨度连续刚构桥 洛河特大桥,进行 了多点激励与考虑行波效应的多点激励的地震反应分析, 并比较了两者的结果。 1多点激励与行波效应的运动方程 根据达朗伯 (D Alembert)原理,桥梁结构(包括基础)在 地震作用下的振动微分方程为: M 13 #墩在超越概率2 %时多点激励更为 不利,而在超越概率10 %时则考虑行波效应更为不利;14 # 墩在超越概率2 %时考虑行波效应更为不利,而在超越概率 10 %时则多点激励更为不利。 表明,相位差对轴力和顺桥向 的地震响应影响较大,高墩 (12 # 墩、13 #墩)和矮墩 (11 # 墩、14 #墩)在不同概率水平下表现出了不同的规律,这与 大跨径连续刚构桥在地震作用下的顺桥向刚度分配、各墩 之间相互作用与约束等动力特性因素有关。 (3)对比多点激励与行波效应的墩底截面横桥向剪力 和横桥向弯矩的地震峰值响应可见,两个较矮的墩 (11 # 墩、14 #墩)在两种概率水平下,都是考虑行波效应的峰值 响应更大:两个较高的墩 (12 # 墩、13 #墩)在两种概率水平 下,都是多点激励的峰值响应更大。表明,行波效应对矮墩 的横桥向地震响应影响较大。 (4)对比多点激励与行波效应的墩顶截面相对于墩底 截面的位移峰值,在两种概率水平下,较矮墩的两个墩有明 显的规律,即考虑行波效应的位移值大于多点激励的位移 值,而对于两个较高的墩则没有明显的规律,这应与高墩振 型的复杂性以及地震动的输入有关。 (5)对比多点激励或行波效应两个高墩与两个矮墩之 间的地震峰值响应可见,两个高墩的轴力明显大于两个矮 墩的轴力;顺桥向剪力与顺桥向弯矩,在超越概率2 %时除 最矮墩 (14 # 墩)较其他墩大很多外,其余的墩较接近,且高 墩和矮墩间没有明显的规律,在超越概率10 %时都是矮墩 的结果大;横桥向剪力与横桥向弯矩在超越概率2 %时高墩 的较大,超越概率10 %时矮墩的结果较大。 (6)对比多点激励或行波效应两个高墩 (12 # 、13 # )之 间的地震峰值响应可见,都是其中较矮些的墩的峰值响应 大。 (7)对比多点激励或行波效应两个矮墩 (11 # 、14 # )之 间的地震峰值响应可见,超越概率为2 %时,轴力、 顺桥向剪 力和顺桥向弯矩都是其中较矮墩(14 # )的值大,横桥向剪 力和横桥向弯矩都是其中较高的墩(11 # )的值大;超越概 率为10 %时,所得结论恰好与2 %时的相反。 (8)超越概率10 %时较超越概率2 %时的各项地震峰 值响应都有所减小,两个100m以上的高墩减小速率较两个 矮墩的减小速率快很多,墩高为64m的11 #墩在两种概率 水平下的峰值响应变化较小。 (9)墩高为142m的最高墩在两种概率水平下的峰值响 应,除轴力外,较其他墩的小,可见高墩并不控制连续刚构 桥的抗震设计。 4结论 (1)由于地形、 墩高、 跨径以及各墩之间的相互作用与 约束的影响,导致大跨度连续刚构桥的动力特性非常复杂, 对抗震分析的结果产生重大影响,就洛河特大桥而言,多点 激励与行波效应对桥梁的影响程度是不同的,对比它们的 结果,得不出完全一致的规律,故本文认为在进行大跨径连 续刚构桥抗震分析时,应分别进行多点激励与行波效应的 分析,以确定桥梁对地震响应的最不利状态。 (2)考虑行波效应,对洛河特大桥的两矮墩的各项内力 都有较大的影响,对两高墩的影响则要从激励方向分开考 虑,对各项内力响应有不同的影响,而最高墩(142m)考虑行 波效应后的大部分内力响应都较多点激励的小。 本文认为, 连续刚构桥的跨径、墩高以及两者之间的关系对行波效应 的分析结果有很大影响,可以进一步探讨,当墩高、 跨径以 及两者之间的比例关系为多大时即可不忽略行波效应的影 响。 (3)不同超越概率水平对行波效应的影响是不同的,这 与连续刚构桥复杂的动力特性和地震波的激励频率有关。 (4)考虑多点激励和行波效应计算结构地震动响应,比 仅考虑地震输入前进了一步,即是通过一定的方向输入地 震动,无法考虑地震波真正的入射角度以及地震波的相干 效应,因而其分析结果也有一定程度的局限性。 更为合理的 方法应当把地震过程当作随机过程,考虑行波效应、 部分相 干效应和局部场地效应的影响,建立随机地震动场模型,按 多点激励的地震输入模式对大跨度桥梁结构进行地震反应 分析,这些还有待今后的进一步研究。 参考文献 1范立础.桥梁抗震M .上海:同济大学出版社, 1997. 11 2范立础,胡世德,叶爱君.大跨度桥梁抗震设计M . 北京:人民交通出版社,2001. 5 3李国豪.桥梁结构稳定与振动M .北京:中国铁道 出版社,1992 4王焕定,章梓茂,景瑞.结构力学M .北京:高等教 育出版社,2001. 1 5宋一凡.公路桥梁动力学M .北京:人民交通出版 社,2000. 6