行波效應對連續剛構橋地震響應的研究

葉劉克

(安徽省七星工程測試有限公司，安徽 合肥 230000)

1 概述

大跨度橋梁結構的抗震問題一直備受關注，由于大跨度橋梁各支撐相距較遠，導致地震波在傳播過程中到達各支撐點的時間必然會存在一定差異[1-3]，而這種時間上的差異就稱為行波效應。

在進行大跨度橋梁結構抗震研究時，若僅對大跨度橋梁進行一致地震輸入，而忽略這種時間上的差異可能會引起結構的不安全，因此在進行大跨度橋梁抗震設計時不能單一考慮一致地震輸入，而需要進行多點激勵或非一致激勵[4]。

2 工程背景

橋址位于渭北黃土臺塬及溝壑區，地形起伏，線路行進在黃土臺塬地段，途經地區沖溝較發育，主橋(97+2×180+97)m加勁鋼桁連續剛構主跨分別跨越司家溝和漠谷河兩條大型黃土沖溝，無常年流水。漠谷河大里程側為階形臺地，地形較緩。橋址處地震動峰值加速度值為0.15g，橋址區場地類別為Ⅱ類[5]。

(97+2×180+97)m加勁鋼桁連續剛構，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。加勁鋼桁為無豎桿三角形桁，整體式節點，中跨156 m范圍內設置加勁鋼桁，節間長度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軟件進行計算，根據結構特點，全橋共劃分為305個節點，337個單元，2號～4號墩頂剛性連接，承臺底固結，模型如圖2所示。

4 行波效應分析

由于行波效應的存在，地震波到達相鄰承臺底必然會有一定的時間差，因此，就需要對此類橋梁考慮多點激勵問題。

4.1 視波速的選取及滯后時間計算

為了研究行波效應對橋梁結構的影響，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，并與一致激勵進行對比，視波速及地震波到達各承臺底支撐點的滯后時間如表1所示。

表1 視波速及承臺底激勵滯后時間

4.2 地震波縱向作用

選取Fernando波沿順橋向進行輸入，假設地震波從1號墩向5號墩傳播。

4.2.1 不同波速下位移對比分析

根據理論計算模型，提取1號～5號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)當視波速較小時，墩頂及主要控制截面的縱向位移大于一致激勵下的縱向位移。2)當波速為300 m/s時，2號墩～5號墩墩頂最大縱向位移分別是一致激勵下縱向位移的1.14倍、1.45倍、1.41倍和1.23倍。3)當波速為300 m/s時，1-1截面～4-4截面最大縱向位移分別是一致激勵下縱向位移的1.17倍、1.24倍、1.31倍和1.27倍。4)因此進行地震反應分析時，從位移角度來看僅考慮一致激勵，結構是偏于不安全狀態的。

4.2.2 不同波速下內力對比分析

根據理論計算模型，提取1號～5號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)當視波速較小時，墩底及主要控制截面的最大彎矩大于一致激勵下的彎矩。2)當波速為300 m/s時，2號墩墩底最大彎矩是一致激勵下的1.59倍；當波速為200 m/s時，3號墩墩底最大彎矩是一致激勵下的1.32倍；當波速為400 m/s時，4號墩墩底最大彎矩是一致激勵下的1.8倍。3)當波速為300 m/s時，1-1截面最大彎矩是一致激勵下的1.25倍；當波速為300 m/s時，2-2截面最大彎矩是一致激勵下的2.43倍；當波速為200 m/s時，3-3截面最大彎矩是一致激勵下的2.01倍；當波速為400 m/s時，4-4截面最大彎矩是一致激勵下的2.49倍。4)因此進行地震反應分析時從內力角度來看僅考慮一致激勵，結構是偏于不安全狀態的。

4.3 地震波雙向正交分量聯合作用

選取Fernando波沿順橋向和橫橋向兩個方向進行輸入。

4.3.1 不同波速下位移對比分析

根據理論計算模型，提取1號～5號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)當波速為1 800 m/s時，2號墩墩頂橫向位移是一致激勵的1.02倍；當波速為400 m/s時，3號墩墩頂橫向位移是一致激勵的1.30倍；當波速為800 m/s時，4號墩及5號墩墩頂橫向位移分別是一致激勵的1.29倍和1.22倍。3)當波速為1 800 m/s時，2-2截面橫向位移是一致激勵的1.04倍；當波速為800 m/s時，4-4截面橫向位移是一致激勵的1.29倍。4)因此進行地震反應分析時，從位移角度來看僅考慮一致激勵，結構是偏于不安全狀態的。

4.3.2 不同波速下內力對比分析

根據理論計算模型，提取1號～5號墩墩頂彎矩及主要控制截面1-1截面～4-4截面彎矩作為重點考察的量值，見表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)當波速為800 m/s時，2號墩墩底最大彎矩是一致激勵下的1.33倍；當波速為500 m/s時，4號墩墩底最大彎矩是一致激勵下的1.18倍；當波速為400 m/s時，4號墩墩底最大彎矩是一致激勵下的2.1倍。3)當波速為1 800 m/s時，1-1截面Mz方向彎矩是一致激勵的1.17倍；當波速為800 m/s時，2-2截面及3-3截面Mz方向彎矩分別是一致激勵下的1.11倍和1.27倍；當波速為400 m/s時，4-4截面Mz方向彎矩是一致激勵的1.42倍。4)因此進行地震反應分析時從內力角度來看僅考慮一致激勵，結構是偏于不安全狀態的。

5 結論

通過對加勁鋼桁連續剛構橋進行行波效應分析得出以下結論：1)對大跨度加勁鋼桁連續剛構橋進行抗震設計時，按一致激勵進行地震響應分析并非總是偏于安全的。2)考慮行波效應時，結構的內力與位移和地震動的輸入及自身特性有關，沒有過多規律可言，但總體而言，視波速越小時結構的地震響應越大。3)在進行抗震研究時，應該根據場地條件選擇不同地震波，分析不同視波速下的結構地震響應，并對比一致激勵，選擇最不利的情況進行抗震驗算。