考慮行波效應的大跨度連續剛構橋地震作用分析

成凱

（湖北 咸寧437000）

0 引言

目前大跨度連續剛構橋設計時分析地震作用常采用一致激勵來輸入地震波，而未考慮到地震作用在時間和空間的變異性，這種變異性以行波效應為主。地震作用分析時常采用一致激勵輸入，但因橋梁的跨度不同，地震波到達不同橋墩的時間不同，此時必須考慮不同橋墩之間的運動相位差，即行波效應。大量的文獻研究結果表明行波效應對橋梁結構的影響不可忽視。這些研究中均以主墩輸入為主，且模型的建立均未考慮到邊墩的地震輸入。

本文以一座跨度274m剛構橋為例，用Midas建立有限元模型，以多點激勵（非一致振動）功能來分析行波效應。筆者分別設置波速（倍數增長）：100m/s、200m/s、400m/s、800m/s的地震波，分別從剛構橋的邊墩以及兩主墩輸入，分析了行波對不同關鍵截面產生的撓度、彎矩和剪力的影響，并與一致激勵作對比分析，得出結論可為類似跨徑剛構橋的行波效應分析提供參考。

1 行波效應多點激勵分析

1.1 地震波輸入

本工程19#墩及22#墩均采用GQZ球形支座，20#墩及21#墩的主梁與墩固結，分別比較在不同波速下行波激勵與一致激勵的主梁關鍵部位（雙薄壁墩連接處截面、中跨跨中截面）的位移、內力、應力，如圖1所示。筆者假設地震波從左向右依次傳播，地震波時程圖如2所示，不同波速參數工況如下所示，其中工況1為排除邊墩對主梁的影響，工況2~工況5位不同波速下的行波激勵，工況6為一致激勵。

工況1：19#墩開始輸入；工況2：20#墩開始輸入，波速100m/s，21#墩滯后1.3s；工況3：20#墩開始輸入，波速200m/s，21#墩滯后0.65s；工況4：20#墩開始輸入，波速400m/s，21#墩滯后0.325s；工況5：20#墩開始輸入，波速800m/s，21#墩滯后0.1625s；工況6：20#墩、21#墩同時輸入（一致激勵）。

1.2 結果分析

根據連續剛構橋受力特性，中跨跨中截面正彎矩、撓度最大，薄壁墩處負彎矩、剪力最大，故選取受力最不利截面來分別比較。其中邊墩19#在地震波的作用下中跨跨中截面的彎矩較小，基本為0，可認為地震波從邊跨輸入對主梁的縱向影響基本上可以忽略，故本次只對工況2~工況6進行分析。

1.2.1 撓度

中跨跨中截面在不同波速工況下的撓度峰值對比圖見圖3。

圖3 中跨跨中截面不同工況撓度峰值

最大撓度為工況2：-18.92mm，最小撓度為工況6：基本接近0，說明波速越小產生的影響越大，一致激勵引起的中跨跨中截面動撓度有相互抵消趨勢。波速越小，撓度達到最大峰值的滯后性越明顯，隨著波速的增大，撓度下撓趨勢逐漸減小，且時間滯后性逐漸減弱至與一致激勵保持同步。

波速：100m/s、200m/s、400m/s、800m/s成倍增加時，中跨中跨截面撓度峰值：-18.92mm、-11.25mm、-5.87mm、-3.20mm、0成倍地減少，在不同波速的作用下中跨跨中截面撓度的差異較大，波速越小，影響作用越大，滯后性越明顯。

1.2.2 彎矩

20#墩、21#墩的兩薄壁墩截面承受負彎矩，中跨跨中截面承受正彎矩，為了方便比較不同截面的彎矩在不同波速下地震作用效應，如圖1對截面進行了編號，不同工況不同截面的對比圖見圖4。

圖4 不同工況下各截面彎矩峰值對比

隨著行波波速的增大，彎矩變化趨勢逐步減小至與一致激勵的保持相同的趨勢，且這種變化趨勢與撓度相同。工況2~工況6同一截面的彎矩變化量隨著波速的增加逐漸減小，且慢慢趨于穩定，說明地震波在傳播的過程中能量逐漸減弱，地震波強迫振動后的穩定部分來自主梁的自由振動。

不同工況下同一截面的彎矩峰值成倍地減少，截面1、截面5減少的速度最快，截面2、截面4減少的速度相對稍慢些，除截面3減少至0外，其余截面整體逐漸減少至相同幅值。同一工況下，截面1與截面5峰值接近，截面2與截面4接近，薄壁墩在行波的作用下彎矩峰值關于中跨跨中截面正對稱。截面1、截面5彎矩峰值均比截面2、截面峰值大，說明靠近邊跨側的薄壁墩受力承受的彎矩大，在相同的地震波下越敏感受力越不利。

1.2.3 剪力

分析工況2~工況6各個關鍵截面的剪力時程變化，不同工況下各個剪力峰值對比圖見圖5。

圖5 不同工況下各截面剪力峰值對比

截面1與截面5、截面2與截面4剪力時程曲線均關于中跨跨中截面3對稱，且薄壁墩靠近邊跨側的剪力均大于另一側，這種變化趨勢與彎矩變化一致，之后均趨于穩定。不同工況下同一截面的剪力值逐漸減小至與一致激勵相同值，敏感截面1、截面5相對截面2、4減小的速度快，這不僅體現在剪力上，同時也體現在彎矩的變化上。

2 結論

（1）連續剛構橋的邊墩并未與主梁固結，行波在邊墩處傳播對主梁縱向影響較小，基本上可忽略。而薄壁主墩與主梁固結，行波的影響較大，此時需要考慮行波的作用影響。

（2）不同波速的行波對剛構橋的影響效應差異大，波速越小影響越大，影響的滯后性越明顯，當波速逐步增大滯后性減弱至與一致激勵同步，且影響程度均大于一致激勵。

（3）常采用地震波輸入方式（一致激勵）分析橋跨結構，動撓度結果偏小，結構的內力也偏小，結果往往偏于不安全，建議此類橋梁設計時考慮行波效應來分析地震作用。