大跨橋梁近斷層地震響應分析

(揚州大學 江蘇 揚州 225000)

一、大跨橋梁結構動力特性分析

(一)時程分析理論

時程分析法將實際的地震時程數據記錄輸入結構計算模型，直接分析結構在地震反應下，各關鍵部位的響應，是一種基于時域的分析法，可直接獲得在地震作用下，結構各時刻的動力響應。主要分為直接積分法和振型疊加法兩種。

一般來說，結構按橋梁抗震設防目標輸入相應的地震加速度時程，結構動力方程式(1-1)可以表示為：

(1-1)

(二)反應譜理論

反應譜理論[1][2]對地震場地條件的運動特性以及結構自身的動力特性進行了考慮，是一種以單自由度體系結構，在地震作用下的反應為基礎，已知結構的阻尼比，在結構固有周期內考慮最大結構地震反應的方法。

二、橋梁地震方程及其輸入方法

(一)一致激勵運動方程(加速度法)

在地震作用下，多自由度體系一般運動微分方程為[44]：

(2-1)

式中，[M(t)]、[C(t)]、[K(t)]——t時刻結構總體質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；

{P(t)}——地震力向量。

在一致激勵作用下，橋梁結構各點輸入同相位的同一加速度時程，可以用以下式子來表示：

(2-2)

式中，{F(t)}——荷載列陣，為n×1列陣；

[R]——結構總自由度數矩陣；

采用式(2-2)求解時成為加速度法，即一致激勵，在有限元軟件ANSYS中，通過ACEL命令就可以實現加速度一致激勵，可適用于線性分析和非線性分析。

三、有限元模型及地震動選取

(一)全橋模型

本文采用《南寧至廣州線 黎塘西至桂平段郁江雙線特大橋(主橋)施工圖》圖紙，全橋長492m(36+96+228+96+36m)，連續鋼桁斜拉橋，全橋為半漂浮體系，里程范圍為 DK106+290.1～DK106+849.50，中心里程 DK106+537，主塔高103.5m，采用C50鋼筋混凝土結構，斜拉索是平行鋼束體系，主塔兩邊的拉索各8對，邊墩和輔助墩采用矩形實體墩，基礎采用20根2.5m鉆孔灌注樁。281#、282#、285#、286#、287#、288#墩承臺和樁基均采用C35混凝土，283#、284#墩承臺采用C40混凝土、樁基采用C35混凝土，具體各部分材料參數列于表3-1。主橋立面布置如圖3-1所示：

表3-1 斜拉橋材料表

(二)大剛度法中行波效應的影響

有大量相關的研究數據表明，當橋梁結構的跨度達到或超過所選地震動波長的1/4時,結構各個支承處所在的節點就不再被認為是一致運動，必須對不同支承節點間的運動相位差進行考慮，也就是所說的行波效應。為分析行波效應在大剛度法中，對橋梁結構地震響應的影響，通過控制施加地震力的時差，即考慮兩個塔底間地面運動的相位差，來實現行波效應。

計算結果表明：

所選取的地震動，根據罕遇地震加速度峰值0.4g的要求，調整地震動的峰值加速度，同時截取一致的地震持時，即保證地震動幅值和持時兩個要素完全相同，且控制車速及設計參數相同的情況下，地震動頻譜時影響橋梁結構動力響應的唯一因素。具體可由表4-2看出，不同類型的地震動作用下，且考慮行波效應的影響，斜拉橋各部位的動力響應是不同的。