大跨桥梁近断层地震响应分析

(扬州大学 江苏 扬州 225000)

一、大跨桥梁结构动力特性分析

(一)时程分析理论

时程分析法将实际的地震时程数据记录输入结构计算模型，直接分析结构在地震反应下，各关键部位的响应，是一种基于时域的分析法，可直接获得在地震作用下，结构各时刻的动力响应。主要分为直接积分法和振型叠加法两种。

一般来说，结构按桥梁抗震设防目标输入相应的地震加速度时程，结构动力方程式(1-1)可以表示为：

(1-1)

(二)反应谱理论

反应谱理论[1][2]对地震场地条件的运动特性以及结构自身的动力特性进行了考虑，是一种以单自由度体系结构，在地震作用下的反应为基础，已知结构的阻尼比，在结构固有周期内考虑最大结构地震反应的方法。

二、桥梁地震方程及其输入方法

(一)一致激励运动方程(加速度法)

在地震作用下，多自由度体系一般运动微分方程为[44]：

(2-1)

式中，[M(t)]、[C(t)]、[K(t)]——t时刻结构总体质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

{P(t)}——地震力向量。

在一致激励作用下，桥梁结构各点输入同相位的同一加速度时程，可以用以下式子来表示：

(2-2)

式中，{F(t)}——荷载列阵，为n×1列阵；

[R]——结构总自由度数矩阵；

采用式(2-2)求解时成为加速度法，即一致激励，在有限元软件ANSYS中，通过ACEL命令就可以实现加速度一致激励，可适用于线性分析和非线性分析。

三、有限元模型及地震动选取

(一)全桥模型

本文采用《南宁至广州线 黎塘西至桂平段郁江双线特大桥(主桥)施工图》图纸，全桥长492m(36+96+228+96+36m)，连续钢桁斜拉桥，全桥为半漂浮体系，里程范围为 DK106+290.1～DK106+849.50，中心里程 DK106+537，主塔高103.5m，采用C50钢筋混凝土结构，斜拉索是平行钢束体系，主塔两边的拉索各8对，边墩和辅助墩采用矩形实体墩，基础采用20根2.5m钻孔灌注桩。281#、282#、285#、286#、287#、288#墩承台和桩基均采用C35混凝土，283#、284#墩承台采用C40混凝土、桩基采用C35混凝土，具体各部分材料参数列于表3-1。主桥立面布置如图3-1所示：

表3-1 斜拉桥材料表

(二)大刚度法中行波效应的影响

有大量相关的研究数据表明，当桥梁结构的跨度达到或超过所选地震动波长的1/4时,结构各个支承处所在的节点就不再被认为是一致运动，必须对不同支承节点间的运动相位差进行考虑，也就是所说的行波效应。为分析行波效应在大刚度法中，对桥梁结构地震响应的影响，通过控制施加地震力的时差，即考虑两个塔底间地面运动的相位差，来实现行波效应。

计算结果表明：

所选取的地震动，根据罕遇地震加速度峰值0.4g的要求，调整地震动的峰值加速度，同时截取一致的地震持时，即保证地震动幅值和持时两个要素完全相同，且控制车速及设计参数相同的情况下，地震动频谱时影响桥梁结构动力响应的唯一因素。具体可由表4-2看出，不同类型的地震动作用下，且考虑行波效应的影响，斜拉桥各部位的动力响应是不同的。