周國(guó)良

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

河谷地形對(duì)多支撐大跨橋梁地震反應(yīng)影響

周國(guó)良

(中國(guó)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(chǎng)地相比有很大不同。因此,河谷地形地震動(dòng)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(píng)估這種差異對(duì)多支撐大跨橋梁地震反應(yīng)的影響。

本文回顧了局部場(chǎng)地及地形因素對(duì)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(duì)地震波傳播影響的重要性及其對(duì)跨河工程抗震分析與設(shè)計(jì)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(cè)臺(tái)陣強(qiáng)震動(dòng)記錄分析,介紹了具有工程意義的小尺度空間內(nèi),局部場(chǎng)地及地形因素對(duì)地震動(dòng)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(cè)臺(tái)陣強(qiáng)震動(dòng)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(duì)地震波的散射。分別將具有不同頻譜特征的3條強(qiáng)震動(dòng)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(dòng)分布特征。結(jié)果表明:從河谷兩側(cè)角點(diǎn)到河谷底部,PGA和PGD基本呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),但受局部地形因素的影響,這種變化并非簡(jiǎn)單的單調(diào)性變化;入射方向?qū)庸葓?chǎng)地各點(diǎn)地震動(dòng)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(chǎng)點(diǎn)間的相對(duì)位移差動(dòng)(任選參照點(diǎn))明顯大于垂直入射情況。入射波的頻譜特征對(duì)河谷各場(chǎng)點(diǎn)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(diǎn)激勵(lì)時(shí)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(shí)的誤差來(lái)源、適用條件和計(jì)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(shí),大質(zhì)量法和大剛度法不適用于多點(diǎn)激勵(lì)分析,位移輸入不適用于一致激勵(lì)分析,否則會(huì)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(dòng)加速度修正的改進(jìn)大質(zhì)量法和基于地震動(dòng)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(jì)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(diǎn)激勵(lì)下,大跨橋梁地震反應(yīng)特點(diǎn),并與一致激勵(lì)情況進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:地形效應(yīng)對(duì)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(duì)于橋型布置對(duì)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(méi)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(shí),關(guān)鍵部位遭受不利反應(yīng)的可能性大大增大。考慮SH波入射下河谷地形的影響時(shí),兩重橋型地震反應(yīng)表現(xiàn)復(fù)雜,與一致激勵(lì)相比,難以發(fā)現(xiàn)規(guī)律性。總體而言,SV波入射時(shí),地形效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響比SH波入射時(shí)更顯著,尤其是SV波斜入射時(shí),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?yàn)槔?分析了不同的視波速下,橋梁的地震反應(yīng)特點(diǎn)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(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋呈現(xiàn)出不利的影響,尤其是對(duì)主梁和橋墩頂部?jī)?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(diǎn)激勵(lì)作用下大跨橋梁擬靜力反應(yīng)和動(dòng)力反應(yīng)的特征和規(guī)律,提出并驗(yàn)證了一種基于DM和改進(jìn)LMM的大跨結(jié)構(gòu)多點(diǎn)激勵(lì)分析擬靜力反應(yīng)項(xiàng)和動(dòng)力反應(yīng)項(xiàng)的分離方法。以一座大跨連續(xù)剛構(gòu)橋多點(diǎn)激勵(lì)分析為例,研究了其擬靜力反應(yīng)項(xiàng)、動(dòng)力反應(yīng)項(xiàng)的基本特點(diǎn),揭示了大跨結(jié)構(gòu)遭受多激勵(lì)時(shí)的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)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(dòng)位移差動(dòng)密切相關(guān),對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋,位移差動(dòng)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(dòng)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(dòng)力反應(yīng)內(nèi)力,其峰值約為動(dòng)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(dòng)力反應(yīng)是一個(gè)不可忽視的量,甚至還大于動(dòng)力反應(yīng)內(nèi)力。擬靜反應(yīng)對(duì)總反應(yīng)的貢獻(xiàn),在斜入射時(shí)明顯變大。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)主要與地震動(dòng)的頻譜特征有關(guān),對(duì)于周期較長(zhǎng)的剛構(gòu)橋,長(zhǎng)周期分量豐富的地震動(dòng)使得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)明顯增強(qiáng)。

多點(diǎn)激勵(lì)作用下,橋梁地震反應(yīng)的復(fù)雜性與擬靜力項(xiàng)和動(dòng)力項(xiàng)的相互作用過(guò)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(dòng)力反應(yīng)的相互過(guò)程。對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋而言,考慮河谷地形影響時(shí),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(dòng)力分析考慮地形效應(yīng)多點(diǎn)激勵(lì)的一種值得關(guān)注的情況。

河谷場(chǎng)地;地形效應(yīng);多點(diǎn)激勵(lì);大跨橋梁;地震反應(yīng)

P315.9,P56;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.02.007