河谷地形对多支撑大跨桥梁地震反应影响

周国良

(中国地震局工程力学研究所,哈尔滨 150080)

河谷地形对多支撑大跨桥梁地震反应影响

周国良

(中国地震局工程力学研究所,哈尔滨 150080)

受不规则地形影响,地震波在河谷地形中的传播与平坦场地相比有很大不同。因此,河谷地形地震动分布在小尺度空间上并非一致,呈现出明显的差异性,有必要评估这种差异对多支撑大跨桥梁地震反应的影响。

本文回顾了局部场地及地形因素对地震波传播的影响及大跨桥梁地震反应考虑局部地形影响的有关研究,由此引出了研究河谷地形因素对地震波传播影响的重要性及其对跨河工程抗震分析与设计的重要意义,介绍了本文的研究目的和主要任务。

基于5·12汶川地震山梁及河谷地形效应的震害调查和自贡西山公园地形效应观测台阵强震动记录分析,介绍了具有工程意义的小尺度空间内,局部场地及地形因素对地震动空间分布影响的间接证据和直接证据。归纳总结了5·12汶川地震山梁和河谷的地震地形效应,分析了西山公园地形效应观测台阵强震动记录的基本特征。

以二维河谷地形为例,分析了均匀粘弹性半空间上河谷地形对地震波的散射。分别将具有不同频谱特征的3条强震动记录视为SH波和SV波形式入射,考虑不同入射角度,分析了河谷地形地震动分布特征。结果表明:从河谷两侧角点到河谷底部,PGA和PGD基本呈现逐渐减小的趋势,但受局部地形因素的影响,这种变化并非简单的单调性变化;入射方向对河谷场地各点地震动分布有重要影响:与入射波垂直或近似垂直的一侧PGA明显大于河谷另一侧。斜入射情形下,河谷各场点间的相对位移差动(任选参照点)明显大于垂直入射情况。入射波的频谱特征对河谷各场点的反应有显著影响,高频分量丰富的地震波放大比较明显,这种高频放大在一定程度上受河谷局部地形特征影响。

系统地回顾了多点激励时程分析的基本方法,指出了传统大质量法、位移输入法、大刚度法采用Rayleigh阻尼时的误差来源、适用条件和计算精度,基于严格理论推导分别提出了修正方法。结果表明:采用Rayleigh阻尼假定时,大质量法和大刚度法不适用于多点激励分析,位移输入不适用于一致激励分析,否则会造成显著的误差。大质量法和位移输入法误差与Rayleigh阻尼的质量相关系数有关,大刚度法与Rayleigh阻尼的质量相关系数和刚度相关系数都有关系。本文提出了基于地震动加速度修正的改进大质量法和基于地震动位移修正的改进大刚度法。与原方法相比该改进方法大大地提高计算精度,总体误差控制在2%以下,可以满足工程结构抗震分析的需要。

以两座不同结构形式的大跨桥梁为例,考虑河谷地形影响,分析了多点激励下,大跨桥梁地震反应特点,并与一致激励情况进行了比较。结果表明:地形效应对大跨桥梁地震反应具有重要影响。受入射波频谱特征、入射角度及自身结构形式的影响,结构地震反应表现复杂。对于桥型布置对称,桥墩高差很小的连续刚构桥而言,河谷地形效应总体上没有使桥梁关键部位遭受不利反应;而桥墩高差明显的刚构桥,当考虑河谷地形SV波斜入射时,关键部位遭受不利反应的可能性大大增大。考虑SH波入射下河谷地形的影响时,两重桥型地震反应表现复杂,与一致激励相比,难以发现规律性。总体而言,SV波入射时,地形效应对结构地震反应的影响比SH波入射时更显著,尤其是SV波斜入射时,结构地震反应非常复杂,关键构件内力有可能大大增加,不可忽视。

以一连续刚构桥为例,分析了不同的视波速下,桥梁的地震反应特点并与地形效应作了比较。结果表明,较低的视波速使得行波效应对连续刚构桥呈现出不利的影响,尤其是对主梁和桥墩顶部内力而言。但行波效应相比地形效应,仍不能完全控制结构的最不利响应。地形效应的影响依然应当受到重视。

为研究多点激励作用下大跨桥梁拟静力反应和动力反应的特征和规律,提出并验证了一种基于DM和改进LMM的大跨结构多点激励分析拟静力反应项和动力反应项的分离方法。以一座大跨连续刚构桥多点激励分析为例,研究了其拟静力反应项、动力反应项的基本特点,揭示了大跨结构遭受多激励时的复杂反应过程及其特征。结果表明:结构的拟静力反应与各支撑输入的地震动位移差动密切相关,对于连续刚构桥,位移差动越大,拟静力内力越大。斜入射情形下,结构的拟静力反应远大于垂直入射情况;而动力反应除了在主梁轴力偏大外,其他内力总体上小于垂直入射情况。结构的拟静反应内力在垂直入射情况除了主梁轴力外,总体上远小于动力反应内力,其峰值约为动力反应内力峰值的10%～20%;而在斜入射情况下,拟静反应内力相比动力反应是一个不可忽视的量,甚至还大于动力反应内力。拟静反应对总反应的贡献,在斜入射时明显变大。结构的动力反应主要与地震动的频谱特征有关,对于周期较长的刚构桥,长周期分量丰富的地震动使得结构的动力反应明显增强。

多点激励作用下,桥梁地震反应的复杂性与拟静力项和动力项的相互作用过程有关。结构的总反应大小取决于拟静力反应和动力反应的相互过程。对于连续刚构桥而言,考虑河谷地形影响时,SV波斜入射情形下两种反应相互叠加的情况可能大于垂直入射情况。因此,SV波斜入射情况是结构动力分析考虑地形效应多点激励的一种值得关注的情况。

河谷场地;地形效应;多点激励;大跨桥梁;地震反应

P315.9,P56;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.02.007