不同地震波对桥梁抗震设计的影响

不同地震波对桥梁抗震设计的影响

为了获得该桥地震中每个小时的地震反应，必须对该桥进行动态时间分析。动态时间分析基于适当的地震波，因此选择合适的地震波是桥梁动态时间分析和桥梁抗强设计的基础。桥梁所处场地条件对于地震波的选取有着重要的影响。当由基岩入射来的大小和周期不同的波群进入表土层时,土层会使一些具有与土层固有周期相一致的某些频率波群放大并通过,而将与土层固有周期不一致的另一些频率波群缩小或滤掉。由于建筑所处的场地条件对于地震波具有筛选和放大作用,在选取地震波时,应选择卓越周期尽量符合场地自振周期的地震波,以其产生的地震反应作为抗震设计的依据。1地震波的选择不同的桥梁由于动力特性、所处地震区及场地类别的差异,适合某个特定桥梁抗震设计的地震波是不同的,因此,应综合考虑各方面的因素来选择合理的地震波进行抗震设计。一般而言,地震波的合理选择应考虑以下因素:(1)地震波特征周期。要求所选地震波的特征周期应与桥梁所处场地的固有周期接近。(2)地震持时。所选地震波持续时间应不小于桥梁基本周期的5~10倍。(3)地震频谱。所选地震波的频谱在某个区间内应具有代表性。(4)结构地震反应值。所选地震波时程分析的结果应与反应谱分析结果相互校核。2合理选择地震波方法本文以某斜拉桥为例,详细阐述选取适合该桥的地震波的程序和方法。该桥是一座双塔斜拉桥,总体布置如图1所示。2.1地层覆盖层厚度不同场地土对桥梁造成的地震危害不同,这是由于不同的土质对地震波的筛选成分不一样,从而造成不同场地的地震效应不一样。因此,研究桥梁抗震,合理选取地震波,首先要分析桥梁所处的场地固有周期。研究表明,场地固有周期与土层覆盖层厚度dov有良好的相关性,场地固有周期随着覆盖层厚度的增加而增加。场地固有周期可按下列简化公式计算:对于单一土层时Τ=ΔdovVs(1)T=ΔdovVs(1)对于多层土时Τ=n∑i=14hiVsi(2)T=∑i=1n4hiVsi(2)式中:dov为覆盖层厚度,m;Vsi、hi为第i层土的剪切波速和土层厚度,m;n为场地覆盖层的土层总数。该斜拉桥桥址北岸与南岸均以粘性土和细沙为主,覆盖层厚度多为10~50m。根据《公路工程抗震设计规范》(以下简称《抗震规范》)的区分标准,桥址处场地属于II类场地。地震动反应谱特征值周期Tg应根据场地类别和地震动参数区划表按抗震规范取值。实取地震动反应谱特征值周期,即场地固有周期Tg为0.35s。2.2加速度设计结果所选实录波的特征周期T应与地震动反应谱特征值周期Tg接近,由于拟相对速度反应谱PSV和拟绝对加速度反应谱PSA之间有近似关系:PSA=ω·PSV,得实录波的特征周期T:Τ=2π1w=2πEΡVEΡA(3)T=2π1w=2πEPVEPA(3)式中:EPA和EPV分别为有效加速度峰值和有效速度峰值。以实录地震波1940,E1CentroSite,270Deg为例说明EPA和EPV的计算方法,计算设计加速度峰值PGA:ΡGA=CiCsCdA(4)PGA=CiCsCdA(4)式中:Ci为抗震重要性系数;Cs为场地系数;Cd为阻尼调整系数;A为设计基本地震加速度峰值,根据《抗震规范》和本桥实际场地条件,取Ci=1.7,Cs=1.0,Cd=1.18,A=0.15g,代入上式计算得PGA=2.949m/s2。利用midas程序的地震波数据生成器功能计算EPA和EPV,其中加速度峰值PGA调整系数Amplitude=ΡGA0.3569×g=2.29490.3569×g=0.843Amplitude=PGA0.3569×g=2.29490.3569×g=0.843,据此得到阻尼比为0.05下实录地震波1940,E1CentroSite,270Deg的绝对加速度反应谱和拟速度反应谱,如图2和图3所示。将阻尼比为5%的绝对加速度反应谱取周期为0.1~0.5s之间的值平均为EPA,将阻尼比为5%的拟速度反应谱取周期为0.5~2s之间的值平均为EPV。根据midas分析结果,得出0.1~0.5s之间的绝对加速度反应谱值和0.5~2s之间的拟速度反应谱值,见表1。根据表1中的数据,得出EPA=5.995m/s2,EPV=0.504m/s,代入式(3)中,得实录波的特征周期T=0.528s,与场地特征周期Tg=0.35s比较接近,此项要求基本符合。2.3特征值分析根据《抗震规范》的要求,选用地震波的持续时间不小于结构基本周期的5~10倍,对桥梁结构进行有限元特征值分析,得出结构基本周期为4.64s,实录地震波1940,E1CentroSite,270Deg的持续时间为53.72s,符合持时要求。2.4加速度设计要求(1)对实录地震波加速度反应谱值在[0.1,Tg]平台段的均值进行控制,要求所选地震记录加速度谱在该段的均值与设计加速度反应谱相差不超过10%~20%。(2)对实录地震波加速度反应谱值在结构基本周期处的值进行控制,要求与设计加速度反应谱值相差不超过10%~20%。根据《抗震规范》,水平设计加速度反应谱最大值Smax由下式确定:Smax=2.25CiCsCdA(5)计算得,Smax=0.6771×g=6.636m/s2。实录波加速度反应谱值与设计加速度反应谱值对比分析见表2。由表2知,实录地震波1940,E1CentroSite,270Deg符合双频段控制要求。2.5动力时程分析参照《公路桥梁抗震设计细则》的相关规定,时程分析的结果应该与反应谱分析结果反复校核,一般时程分析结果不应小于反应谱分析结果的65%(多条时程分析曲线的平均值不应小于反应谱分析结果的80%)。用选取的实录波进行线性时程分析,用设计反应谱作反应谱分析,并将二者的结果进行比较,以此作为选择实录波的依据之一。利用midas/civil有限元程序建立桥梁的动力时程分析模型,进行动力时程分析。时程分析类型采用线性时程分析方法,分析方法采用振型叠加法,即结构的位移用相互正交位移向量的线性组合的形态求解的方法。对于桥梁的抗震设计,桥墩的基底剪力是很重要的分析对象,因此,这里选取本桥6个桥墩的基底剪力作为比较对象,实录波基底剪力如图4所示,设计反应谱产生的基底剪力见表3。模型中的1号墩所对应的单元号是5905,从表3和图4中的数据可以看出,设计反应谱分析的剪力与实录波时程分析最大剪力很接近,相差不超过2%,说明该实录波的选择是有效的,可以用于该桥模型的抗震时程分析。在时程分析中,往往需要选择多条实录波来进行对比分析,因此,可以根据上面的程序和方法来多选择几条符合要求的地震波进行时程分析。3合理选择地震波的流程和方法合理选择地震波的问