周國良

(中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

河谷地形對多支撐大跨橋梁地震反應(yīng)影響

周國良

(中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

受不規(guī)則地形影響,地震波在河谷地形中的傳播與平坦場地相比有很大不同。因此,河谷地形地震動分布在小尺度空間上并非一致,呈現(xiàn)出明顯的差異性,有必要評估這種差異對多支撐大跨橋梁地震反應(yīng)的影響。

本文回顧了局部場地及地形因素對地震波傳播的影響及大跨橋梁地震反應(yīng)考慮局部地形影響的有關(guān)研究,由此引出了研究河谷地形因素對地震波傳播影響的重要性及其對跨河工程抗震分析與設(shè)計的重要意義,介紹了本文的研究目的和主要任務(wù)。

基于5·12汶川地震山梁及河谷地形效應(yīng)的震害調(diào)查和自貢西山公園地形效應(yīng)觀測臺陣強(qiáng)震動記錄分析,介紹了具有工程意義的小尺度空間內(nèi),局部場地及地形因素對地震動空間分布影響的間接證據(jù)和直接證據(jù)。歸納總結(jié)了5·12汶川地震山梁和河谷的地震地形效應(yīng),分析了西山公園地形效應(yīng)觀測臺陣強(qiáng)震動記錄的基本特征。

以二維河谷地形為例,分析了均勻粘彈性半空間上河谷地形對地震波的散射。分別將具有不同頻譜特征的3條強(qiáng)震動記錄視為SH波和SV波形式入射,考慮不同入射角度,分析了河谷地形地震動分布特征。結(jié)果表明:從河谷兩側(cè)角點到河谷底部,PGA和PGD基本呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,但受局部地形因素的影響,這種變化并非簡單的單調(diào)性變化;入射方向?qū)庸葓龅馗鼽c地震動分布有重要影響:與入射波垂直或近似垂直的一側(cè)PGA明顯大于河谷另一側(cè)。斜入射情形下,河谷各場點間的相對位移差動(任選參照點)明顯大于垂直入射情況。入射波的頻譜特征對河谷各場點的反應(yīng)有顯著影響,高頻分量豐富的地震波放大比較明顯,這種高頻放大在一定程度上受河谷局部地形特征影響。

系統(tǒng)地回顧了多點激勵時程分析的基本方法,指出了傳統(tǒng)大質(zhì)量法、位移輸入法、大剛度法采用Rayleigh阻尼時的誤差來源、適用條件和計算精度,基于嚴(yán)格理論推導(dǎo)分別提出了修正方法。結(jié)果表明:采用Rayleigh阻尼假定時,大質(zhì)量法和大剛度法不適用于多點激勵分析,位移輸入不適用于一致激勵分析,否則會造成顯著的誤差。大質(zhì)量法和位移輸入法誤差與Rayleigh阻尼的質(zhì)量相關(guān)系數(shù)有關(guān),大剛度法與Rayleigh阻尼的質(zhì)量相關(guān)系數(shù)和剛度相關(guān)系數(shù)都有關(guān)系。本文提出了基于地震動加速度修正的改進(jìn)大質(zhì)量法和基于地震動位移修正的改進(jìn)大剛度法。與原方法相比該改進(jìn)方法大大地提高計算精度,總體誤差控制在2%以下,可以滿足工程結(jié)構(gòu)抗震分析的需要。

以兩座不同結(jié)構(gòu)形式的大跨橋梁為例,考慮河谷地形影響,分析了多點激勵下,大跨橋梁地震反應(yīng)特點,并與一致激勵情況進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:地形效應(yīng)對大跨橋梁地震反應(yīng)具有重要影響。受入射波頻譜特征、入射角度及自身結(jié)構(gòu)形式的影響,結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)表現(xiàn)復(fù)雜。對于橋型布置對稱,橋墩高差很小的連續(xù)剛構(gòu)橋而言,河谷地形效應(yīng)總體上沒有使橋梁關(guān)鍵部位遭受不利反應(yīng);而橋墩高差明顯的剛構(gòu)橋,當(dāng)考慮河谷地形SV波斜入射時,關(guān)鍵部位遭受不利反應(yīng)的可能性大大增大?？紤]SH波入射下河谷地形的影響時,兩重橋型地震反應(yīng)表現(xiàn)復(fù)雜,與一致激勵相比,難以發(fā)現(xiàn)規(guī)律性?？傮w而言,SV波入射時,地形效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響比SH波入射時更顯著,尤其是SV波斜入射時,結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)非常復(fù)雜,關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力有可能大大增加,不可忽視。

以一連續(xù)剛構(gòu)橋為例,分析了不同的視波速下,橋梁的地震反應(yīng)特點并與地形效應(yīng)作了比較。結(jié)果表明,較低的視波速使得行波效應(yīng)對連續(xù)剛構(gòu)橋呈現(xiàn)出不利的影響,尤其是對主梁和橋墩頂部內(nèi)力而言。但行波效應(yīng)相比地形效應(yīng),仍不能完全控制結(jié)構(gòu)的最不利響應(yīng)。地形效應(yīng)的影響依然應(yīng)當(dāng)受到重視。

為研究多點激勵作用下大跨橋梁擬靜力反應(yīng)和動力反應(yīng)的特征和規(guī)律,提出并驗證了一種基于DM和改進(jìn)LMM的大跨結(jié)構(gòu)多點激勵分析擬靜力反應(yīng)項和動力反應(yīng)項的分離方法。以一座大跨連續(xù)剛構(gòu)橋多點激勵分析為例,研究了其擬靜力反應(yīng)項、動力反應(yīng)項的基本特點,揭示了大跨結(jié)構(gòu)遭受多激勵時的復(fù)雜反應(yīng)過程及其特征。結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)的擬靜力反應(yīng)與各支撐輸入的地震動位移差動密切相關(guān),對于連續(xù)剛構(gòu)橋,位移差動越大,擬靜力內(nèi)力越大。斜入射情形下,結(jié)構(gòu)的擬靜力反應(yīng)遠(yuǎn)大于垂直入射情況;而動力反應(yīng)除了在主梁軸力偏大外,其他內(nèi)力總體上小于垂直入射情況。結(jié)構(gòu)的擬靜反應(yīng)內(nèi)力在垂直入射情況除了主梁軸力外,總體上遠(yuǎn)小于動力反應(yīng)內(nèi)力,其峰值約為動力反應(yīng)內(nèi)力峰值的10%～20%;而在斜入射情況下,擬靜反應(yīng)內(nèi)力相比動力反應(yīng)是一個不可忽視的量,甚至還大于動力反應(yīng)內(nèi)力。擬靜反應(yīng)對總反應(yīng)的貢獻(xiàn),在斜入射時明顯變大。結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)主要與地震動的頻譜特征有關(guān),對于周期較長的剛構(gòu)橋,長周期分量豐富的地震動使得結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)明顯增強(qiáng)。

多點激勵作用下,橋梁地震反應(yīng)的復(fù)雜性與擬靜力項和動力項的相互作用過程有關(guān)。結(jié)構(gòu)的總反應(yīng)大小取決于擬靜力反應(yīng)和動力反應(yīng)的相互過程。對于連續(xù)剛構(gòu)橋而言,考慮河谷地形影響時,SV波斜入射情形下兩種反應(yīng)相互疊加的情況可能大于垂直入射情況。因此,SV波斜入射情況是結(jié)構(gòu)動力分析考慮地形效應(yīng)多點激勵的一種值得關(guān)注的情況。

河谷場地;地形效應(yīng);多點激勵;大跨橋梁;地震反應(yīng)

P315.9,P56;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.02.007