許智強(qiáng),趙人達(dá)
(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)
隨著我國大跨度橋梁的快速發(fā)展,其抗震問題成為國內(nèi)的研究熱點(diǎn)。地震動(dòng)傳播時(shí)在時(shí)間和空間上變化較大,對大跨度斜拉橋的地震響應(yīng)影響較大[1-5]。對于大跨斜拉橋,由于地震波沿橋縱向先后到達(dá)的時(shí)間差,引起各支承處輸入地震時(shí)程的相位差,簡稱行波效應(yīng)[6-7]。
近年來,針對多點(diǎn)激勵(lì)作用下大跨斜拉橋的地震響應(yīng),國內(nèi)外學(xué)者采用多種方法進(jìn)行了研究。王再榮等[8]對多點(diǎn)激勵(lì)下的振型方程進(jìn)行推導(dǎo),采用振動(dòng)分析法研究行波效應(yīng)對大跨斜拉橋的振動(dòng)機(jī)理。陳清軍等[9]采用改進(jìn)虛擬激勵(lì)法研究行波效應(yīng)對超大跨斜拉橋的影響,結(jié)果表明考慮行波效應(yīng)使大跨斜拉橋位移和彎矩響應(yīng)減小。方圓等[10]采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法對大跨多塔斜拉橋的行波效應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明在塔梁固結(jié)情況下行波效應(yīng)影響較大,而塔梁無約束時(shí)行波效應(yīng)影響較小。
本文以西部山區(qū)的西固黃河大跨結(jié)合梁斜拉橋?yàn)槔捎肁NSYS軟件建立有限元模型,基于非線性時(shí)程分析法研究行波效應(yīng)對大跨度結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)的影響。
西固黃河大橋是蘭州南繞城高速公路上跨越黃河、蘭新鐵路的重點(diǎn)工程。場地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.2g,場地條件為Ⅱ類,特征周期Tg=0.4 s。其主橋?yàn)榭鐝?67+110+360+110+67)m的工字鋼-混凝土結(jié)合梁斜拉橋,橋塔采用鋼筋混凝土菱形塔,橋塔高151 m,是西北地區(qū)在黃河上跨度最大、塔身最高的斜拉橋。西固黃河大橋總體布置見圖1。主梁采用工字鋼-混凝土結(jié)合梁,結(jié)合梁高2.83 m(鋼主梁中心處),鋼主梁采用 2 500×1 000×36(60)×20 mm工字形截面,主梁斷面見圖2。
圖1 西固黃河大橋總體布置(單位:m)
圖2 主梁斷面(單位:mm)
基于有限元軟件ANSYS建立全橋空間有限元模型。橋塔、橋墩及主梁采用Beam 188梁單元模擬,橋面鋪裝等采用集中質(zhì)量單元Mass 21附加在主梁節(jié)點(diǎn)上,斜拉索采用Link 10單元模擬,使用Ernst公式考慮斜拉索的垂度效應(yīng)對其彈性模量進(jìn)行修正。模型中采用土彈簧模擬樁土相互作用,其等效彈簧剛度采用m法[11]計(jì)算。
利用多重Ritz向量法計(jì)算該橋動(dòng)力特性,前8階結(jié)構(gòu)自振頻率及振型特征見表1??芍?,結(jié)構(gòu)基頻為0.171 3 Hz,基本周期為5.838 s,屬于長周期柔性結(jié)構(gòu)。主梁1階振型為縱飄和反對稱豎彎,2,3階振型為主梁側(cè)彎,說明主梁縱橋向剛度較小且低于橫橋向剛度。橋墩在4,5,7階振型中出現(xiàn)密集情況,表現(xiàn)為各墩的縱向彎曲,說明橋墩縱向剛度較小。
表1 結(jié)構(gòu)自振頻率及振型
采用以規(guī)范設(shè)計(jì)水平加速度反應(yīng)譜為目標(biāo)擬合而成的人工地震波進(jìn)行抗震計(jì)算。計(jì)算主要針對E2地震作用即50年超越概率為2%的地震作用,利用反應(yīng)譜轉(zhuǎn)人工地震波程序SIMQKE_GR生成3條地震波,見圖3。每條波之間的相關(guān)系數(shù)小于10%,地震持時(shí)30 s,阻尼比取0.03?;谌斯さ卣鸩〞r(shí)程曲線的反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)水平加速度反應(yīng)譜對比見圖4。可見二者吻合度較好,可用于抗震計(jì)算。
為研究多點(diǎn)激勵(lì)下波速對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響,依次取500,1 000,2 000,3 000,4 000 m/s和無窮大(即一致激勵(lì))6個(gè)地震波速進(jìn)行時(shí)程分析。由于結(jié)構(gòu)的對稱性較好,本文僅考慮地震波由南向北傳播。
圖3 人工地震波加速度時(shí)程曲線
圖4 人工地震波擬合反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)水平加速度反應(yīng)譜對比
為研究行波效應(yīng)對大跨斜拉橋位移響應(yīng)的影響,選取主梁跨中節(jié)點(diǎn)和塔頂節(jié)點(diǎn),分別比較不同波速的非一致激勵(lì)與一致激勵(lì)對其位移響應(yīng)的影響,對比結(jié)果見圖5??芍簩τ谥髁号c塔頂縱向位移,行波效應(yīng)總體上使其響應(yīng)減小。當(dāng)波速為500 m/s時(shí),非一致激勵(lì)下主梁、塔頂縱向位移分別為一致激勵(lì)下的75%,93%;隨著波速的增大,縱向位移不斷增大,逐漸趨于一致激勵(lì),當(dāng)波速達(dá)到 3 000 m/s后,行波效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響較小,位移變化平緩。
圖5 縱向位移對比
地震動(dòng)行進(jìn)波速變化對塔底截面、墩底截面內(nèi)力響應(yīng)的影響分別見圖6和圖7??v坐標(biāo)為考慮行波效應(yīng)時(shí)非一致激勵(lì)與一致激勵(lì)對應(yīng)截面響應(yīng)的比值。
圖6 塔底截面內(nèi)力比
圖7 墩底截面內(nèi)力比
由圖6、圖7可以看出:①考慮行波效應(yīng)后塔底截面的彎矩及剪力總體上比一致激勵(lì)要小,當(dāng)波速為 1 000 m/s時(shí),彎矩減小20%,剪力值也從開始的增大18%減小為一致激勵(lì)的80%;當(dāng)波速大于 2 000 m/s后彎矩與剪力值與一致激勵(lì)基本相同。②對于2#和3#墩底截面,當(dāng)波速為500~2 000 m/s時(shí),考慮行波效應(yīng)的墩底截面彎矩增大約15%~5%,之后對彎矩影響較小;當(dāng)波速為500 m/s時(shí)剪力值增大約19%,當(dāng)波速大于 1 000 m/s后剪力值趨于一致激勵(lì)。
圖8 墩梁及塔梁相對位移
考慮行波效應(yīng)的非一致激勵(lì)和一致激勵(lì)下墩梁和塔梁順橋向相對位移見圖8。可知,考慮行波效應(yīng)后墩梁和塔梁相對位移均有所增大,墩梁相對位移增大約60%,而塔梁相對位移增大了20%。主要是由于行波效應(yīng)使地震峰值到達(dá)墩梁產(chǎn)生時(shí)間差,從而產(chǎn)生相對位移??紤]行波效應(yīng)后墩梁和塔梁間相對位移變化不規(guī)律,震蕩次數(shù)減少??赡苁怯捎诙铡⑺土洪g結(jié)構(gòu)特性不同導(dǎo)致振動(dòng)周期不同,引起了非同向振動(dòng)。
基于非線性時(shí)程分析法對比了考慮行波效應(yīng)的非一致激勵(lì)與一致激勵(lì)下大跨度結(jié)合梁斜拉橋的地震響應(yīng),得到以下結(jié)論:
1)橋梁結(jié)構(gòu)基本周期為5.838 s,屬于長周期柔性結(jié)構(gòu),第一階振動(dòng)為主梁縱飄,滿足斜拉橋半漂浮體系的特征。
2)對于主梁與塔頂縱向位移,行波效應(yīng)總體上使其地震響應(yīng)減小。當(dāng)波速為500 m/s時(shí),非一致激勵(lì)下主梁和塔頂縱向位移分別為一致激勵(lì)下的75%,93%;隨著波速的增大,位移變化平緩,逐漸趨于一致激勵(lì)。
3)當(dāng)波速較小時(shí),考慮行波效應(yīng)后塔底截面的彎矩及剪力總體上比一致激勵(lì)要小,但是墩底截面的彎矩和剪力略微增大;當(dāng)波速較大后,考慮行波效應(yīng)的非一致激勵(lì)與一致激勵(lì)的地震響應(yīng)基本相同。對于本文的大跨結(jié)合梁斜拉橋,考慮行波效應(yīng)對于橋梁抗震有利。
4)考慮行波效應(yīng)后墩梁和塔梁間相對位移均有所增大,墩梁和塔梁間相對位移變化不規(guī)律,震蕩次數(shù)減少。