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(qū)，地形起伏，線路行進在黃土臺塬地段，途經(jīng)地區(qū)沖溝較發(fā)育，主橋(97+2×180+97)m加勁鋼桁連續(xù)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(qū)場地類別為Ⅱ類[5]。

(97+2×180+97)m加勁鋼桁連續(xù)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(jié)點，中跨156 m范圍內(nèi)設置加勁鋼桁，節(jié)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(jù)結構特點，全橋共劃分為305個節(jié)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(jù)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(tài)的。

4.2.2 不同波速下內(nèi)力對比分析

根據(jù)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(nèi)力角度來看僅考慮一致激勵，結構是偏于不安全狀態(tài)的。

4.3 地震波雙向正交分量聯(lián)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(jù)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(lián)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(tài)的。

4.3.2 不同波速下內(nèi)力對比分析

根據(jù)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(lián)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(nèi)力角度來看僅考慮一致激勵，結構是偏于不安全狀態(tài)的。

5 結論

通過對加勁鋼桁連續(xù)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(xù)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(nèi)力與位移和地震動的輸入及自身特性有關，沒有過多規(guī)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(jù)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。