高墩大跨连续刚构桥地震反应的行波效应研究

潘 强,方诗圣,程晓东

(1.合肥工业大学 土木与水利学院,合肥 230009;2.安徽省高速公路试验检测科研中心,合肥 230601)

高墩大跨连续刚构桥地震反应的行波效应研究

潘 强1,方诗圣1,程晓东2

(1.合肥工业大学 土木与水利学院,合肥 230009;2.安徽省高速公路试验检测科研中心,合肥 230601)

运用大型结构分析程序Midas/civil在地震波作用下,对某一实际高墩大跨连续刚构桥的地震反应的行波效应进行了时程分析的数值模拟,分析了高墩大跨连续桥在顺桥向地震波作用下不同的相位差的行波效应,以及行波效应对桥梁高低墩墩差产生的影响.结果表明:行波效应对高墩大跨连续桥的影响很大,桥梁高低墩墩差越大行波效应越明显,高墩大跨连续桥在抗震设计时应考虑行波效应.

高墩大跨连续桥梁;有限元法;动态时程分析;行波效应;地震反应

近年来,在我国西部高烈度地震区出现了很多高墩大跨结构桥梁,高墩大跨连续梁桥抗震设计是结构设计的重要部分,分析其地震反应是该类桥梁设计中重要的环节.许多大跨刚构桥跨径都在100 m以上,而典型的地震波波长为百余米至数百米.此时,就必须考虑不同地面节点之间的运动相位差,即行波效应问题.在实际工程的结构地震反应分析中,地震输入方法常用的是一致激励法,只考虑它们随时间的变化.这种假定仅对于小跨度桥梁来说适用[1,2].综合高墩大跨结构桥梁抗震研究甚少,大跨结构桥梁地震反应的研究比较普遍,例如,黄小国等[3]利用大型结构分析程序 ANSYS/TRANSIENT,对地震波三向正交分量独立作用和联合作用下大跨连续刚构桥的地震反应的行波效应进行了时程分析的数值模拟,分析了大跨连续刚构桥在各向振动分量的作用,以及各向振动不同相位差的行波效应;李衷献等[4]基于行波激励下大跨度桥梁地震反应分析的方法,对某一大跨度的四跨预应力混凝土连续刚构桥进行了行波激励下地震反应的数值模拟.张亚辉等[5]分析了地震波视波速对体系极值响应的影响,并讨论了动态相对位移和拟静位移分量对体系极值响应的贡献.本文基于以上理论基础,分析了高墩大跨连续刚构桥地震反应的行波效应特性以及行波效应对桥梁高低墩墩差的影响.

1 计算方法

动态时程分析的振动方程为:

经过一系列公式转换得出:

式(3)就是考虑多点激励和行波效应的桥梁结构的运动方程,[R]称为考虑行波和多点激励的地震动影响矩阵.当把影响矩阵[R]换为单位矩[I]的时候,式(3)就是不考虑多点激励和行波效应的桥梁结构的运动方程[6].

2 工程概况

某大桥位于大别山地带,大桥长480.37 m,设计为4墩两台共5跨变截面预应力混凝土连续刚构桥(56+114+140+114+50=474 m),2号、3号墩为双柱矩形薄壁空心墩,高度为82 m和78 m,属于高墩施工,1号、4号墩为单柱矩形薄壁空心墩高40 m,桥梁位于半径R=3200 m的圆曲线和直线段上.箱梁梁体均采用C50混凝土.箱梁截面设计为单箱单室,2号、3号主墩根部梁高8 m,1号、4号根部梁高为6 m,跨中和边跨现浇段梁高为3.0 m,箱梁顶板宽11.8 m,底板宽 6.5 m,翼缘板悬臂长2.65 m;箱梁底下缘按1.8次抛物线线形变化.箱梁横桥向顶板设2%的横坡,底板水平;该桥纵坡为2.2%.

3 全桥有限元模型以及地震动的输入

本桥连续刚构的计算模型按平面刚架体系计算,采用有限元分析方法.在计算模型中,主桥连续刚构共分为228个单元,其中预应力箱梁分为143个单元,全桥有限元模型如图1所示.

图1 高墩连续梁桥有限元模型

本文中的时程分析采用过去典型的强震记录地震波.本文中的时程分析根据桥址处具体的场地条件,在己有的强震记录中选择了一条与桥址场地条件相符的地震波,即EI-Centro地震波,如图2,我们这里选择1940年EI-Centro Site南北方向地面加速度时程,其峰值加速度为341.7 cm/s2,持续时间53.72 s,我们选择的地震波需要满足:加速度时程曲线最大值为35 cm/s2,持续时间必须大于20 s,这时我们需要对该地震波的峰值进行调整,如下:

图2 EI-Centro地震波

4 基本特性动力分析

分析和认识大跨度高墩梁桥的动力特性是进行地震反应分析和抗震设计的基础[7,8].该桥前10阶振型见表1.

表1 前10阶结构自振特性

5 计算与分析

5.1 行波效应在高墩大跨梁桥的影响

本文假设地震波自左向右顺桥向传播,从最左端1号墩依次向右传播至2号墩、3号墩、4号墩,计算地震波传播速度分别为200 m/s,400 m/s,600 m/s,1200 m/s,本文取桥主跨跨中断面进行内力时程分析,其时程分析曲线比较如图3所示.

行波效应作用下的内力反应曲线与一致激励下的内力反应曲线对比存在明显的滞后现象.从上图中我们可以看出,波速在200 m/s时候,波速比较缓慢,滞后现象很明显.随着波速的加快,这种滞后现象明显好转,波速Va较大时,行波效应内力反应的波形与一致激励内力反应的波形比较相似,最终,当波速达到1200 m/s时候,行波效应内力反应的波形与一致激励内力反应的波形基本重合.

5.2 高低墩高差对高墩大跨连续刚构桥地震反应的影响

本文以高墩大跨连续梁模型一为蓝本建立,其他条件不变,只是将3号、4号墩墩高改变,以桥主跨跨中截面内力为分析对象,分析两种模型一致激励与行波效应对桥梁的影响,如表2所示.

图3 不同视波速下主跨跨中My时程曲线

表2 两种模型墩高与墩差

为分析两种模型在行波效应后的影响,在同一波速中,我们用表示主跨跨中截面在任一时刻一致激励与行波效应△H的内力差,则内力差数据分析曲线如图4所示.

图4 不同视波速下主跨跨中My的⊿H曲线

当波速越小,高底墩墩差越大,一致激励与行波效应的滞后现象很明显,随着波速越来越大,滞后现象好转,综合来讲,对于高低墩墩差越大,一致激励与行波效应的滞后现象越明显.

6 结 语

(1)行波效应对于高墩大跨连续刚构桥的影响很大,从以上模型分析得出,随着视波速的不同,截面的内力变化是不同的;

(2)波速越小,行波效应与一致激励分析的结果差别很大,滞后现象很明显,但随着波速的增大,滞后现象将明显好转;

(3)同一截面相同的视波速,行波效应对于高低墩墩差不同也会有很大的影响,波速越小,高底墩墩差越大,行波效应与一致激励滞后现象越明显,随着波速的增大,这种影响好转.所以对于高墩大跨桥梁的抗震分析时候,行波效应的影响是非常重要的.

[1]何 波,朱宏平,史雅楠.大跨径连续刚构桥抗震性能评价[J].公路,2007,(11):1-6.

[2]刘洪兵.大跨桥梁考虑地形及多点激励的地震响应分析[J].同济大学学报,2003,31(6):641-646.

[3]黄小国,胡大琳,张后举.行波效应对大跨度连续刚构桥地震反应的影响[J].长安大学学报(自然科学版),2008,(1):72-76.

[4]李忠献,史志利.行波激励下大跨度连续刚构桥的地震反应分析[J].地震工程与工程振动,2003,(2):68-76.

[5]张亚辉,李丽媛,陈 艳,等.大跨度结构地震行波效应研究[J].大连理工大学学报,2005,(4):480-486.

[6]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.

[7]苏 成,陈海斌.多点激励下大跨度桥梁的地震反应[J].华南理工大学学报(自然科学版),2008,(11):101-107.

[8]王 波,张海龙,徐 丰.薄壁高墩大跨连续刚构桥地震时程反应参数研究[J].公路工程,2007,(4):28-32.

The Traveling Wave Effect of Seismic Response of High-pier-span Continuous Rigid Frame Bridge

PAN Qiang1,FANG Shi-sheng1,CHENG Xiao-dong2
(1.School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Test and Research Centre for Highway of Anhui Province,Hefei 230601,China)

By using large-scale structural analysis program Midas/civil,under the action of seismic waves,time-history analysis of the numerical simulation is imposed on the travelling wave effect of seismic response of a real high-pier-span continuous rigid frame bridge.Analysis is about the travelling wave effect of different phase of high-span continuous bridge pier under the action of the seismic waves parallel with the bridge,as well as different impact of the travelling-wave effect on the height difference of bridge piers.The results show that the influence of travelling wave effect on the high-span continuous bridge pier is great.The greater the height difference pier of the bridge,the more obvious effect of the larger waveis.travelling wave effect should be taken into consideration in the seismic design of high-span continuous bridge piers.

high-pier-span continuous girder bridge;finite element method;dynamic time history analysis;travelling wave effect;seismic response

U442.5

A

1671-119X(2010)02-0082-04

2009-11-14

潘 强(1983-),男,硕士研究生,研究方向:城市道路与桥梁.