基于地震空间变异性效应的大跨度桥梁抗震体系研究

2021-05-30廖令军

工程技术研究 2021年7期

廖令军，唐瑞

1.中铁五局集团第四工程有限责任公司，广东东莞 523000 2.深圳大学土木与交通工程学院，广东深圳 518060

近年来，我国桥梁数量与里程快速增加，有效提高桥梁质量是桥梁可持续发展的重要要求。对于桥梁抗震体系来说，有效减少桥梁受灾脆弱性，全面提高桥梁抗震能力，是保证桥梁高性能、高适应性的重要内容。文章基于地震空间变异性随机地震动，综合考虑地震空间变异性效应影响，进行了桥梁抗震反应影响分析，以期为大跨度桥梁抗震体系研究提供有效参考。

1 桥梁抗震分析基本理论

（1）静力法。静力法也叫震度法，是将地震作用下的结构视为一刚体，假定结构物与地基土的运动具有相同加速度，因地震力的作用，地面产生的加速度运动使结构物受到惯性力作用，进而计算出结构的各种反应[1]。

（2）反应谱法。反应谱法综合考虑了构筑物和地基土的动力特征，是被广泛应用的抗震计算方法之一[2-3]。

（3）动态时程分析法。动态时程分析法通过计算机程序进行数值计算，直接将地震波作用于结构，在时域内对结构动力方程进行分析和设计[2-3]。

2 基于地震空间变异性效应的桥梁抗震反应影响分析

2.1 建立有限元模型

以某座大跨度连续桥梁为例，其跨径布置为（56+140+56）m，立面图如图1所示。基于有限元软件，建立大跨度连续桥梁空间非线性分析模型，如图2所示。

图1 大跨度连续桥梁立面图（单位：cm）

图2 全桥空间非线性有限元简化模型

将其水平非约束方向值设置为2.00%，水平约束方向值设置为20.00%，通过P-∆效应，对其特征值进行分析，得出该桥梁前3阶自振周期，如表1所示。

表1 桥梁自震特性

2.2 桥梁抗震反应的影响

地震空间变异性效应包括行波效应、失相干效应、场地效应。由于地震空间具有变异性，且地震台所记录的天然地震动与实际桥梁位置存在差异，在实际工作中，需要结合特定反应谱，合成空间变异性地震动[4]。出于对不同场地条件影响的考虑，将场地类型分为软土（S）、中软土（M）、硬土（F）。

设定1#桥墩和4#桥墩底部的场地条件为硬土类型，2#桥墩与3#桥墩底部的场地条件相同，则失相干公式如下：

式中：a、b、c和β为常数；dj'n'为两点间的距离；vapp为地震波传播速度。

假设vapp的值分别为250m/s、500m/s和1000m/s，地震波采样频率为100Hz，地震波的上截断频率为25Hz，地震波持续时间为20.49s，并考虑高相干性地震动、中等相干性地震动、弱相干性地震动，对失相干程度的影响进行考察。

下文设置了10种中空间变异性随机地震动工况，将该大跨度桥梁所有支承处的场地条件进行分类，若支承处全为硬土，记为“FFFF”；若1#、4#桥墩处支承为硬土，2#、3#桥墩处支承为中硬土，记为“FMMF”；若1#、4#桥墩处支承为硬土，2#、3#桥墩处支承为软土，记为“FSSF”。地震空间变异性随机地震动工况如表2所示。为得到更加精准的结构响应，针对每个工况，随机生成20组地震波时程。计算中，将地震波纵向、地震波横向的PGA设置为相同，将水平地震动的PGA调幅至0.5g[5]。以工况4第一组地震波为例，对各支撑点处的加速度、位移时程曲线进行计算，并对人工生成的非一致地震动的反应谱与坚硬场地情况下的目标反应谱进行对比，最后得出模拟地震动与经验函数得出的失相干损伤对比情况。

表2 地震空间变异性随机地震动工况

2.3 地震空间变异性效应的桥梁抗震反应影响结果

（1）失相干效应影响结果分析。为深入分析失相干效应对桥梁结构地震响应的影响，对工况4、工况9、工况10下的桥梁结构地震响应进行对比可知，2#桥墩墩底的内力和3#桥墩的位移在失相干程度较低时取得极大值，2#桥墩的位移和3#桥墩墩底剪力在失相干程度较高时取得极大值，不同失相干程度时桥墩峰值响应如表3所示。综合来看，在对地震空间变异性随机地震动进行分析时，要注重对地震波的失相干损失程度进行准确衡量。

表3 不同失相干程度时桥墩峰值响应

（2）场地效应影响结果分析。为总结出大跨度桥梁在不同场地类型下的地震响应的影响，对工况4、工况5、工况6进行分析。对2#、3#主桥墩的内力、位移峰值响应进行统计，不同场地类型时桥墩峰值影响如表4所示。由表4可知，大跨度桥梁所在的场地条件对桥梁的地震响应的影响极为明显，场地条件越松软，桥墩内力、位移响应越大，且增幅会不断加大。其根本原因是场地条件越松软，场地的卓越频率与结构的基频越接近，进而引起结构共振[6-7]。因此，在大跨度桥梁抗震体系研究中，需要精准判断出大跨度桥梁支撑处的场地条件[8]。

表4 不同场地类型时桥墩峰值影响

（3）行波效应影响结果分析。根据上文给出的不同地震波传播速度，即1000m/s、500m/s、250m/s，针对行波对桥梁结构的墩底内力、墩顶位移峰值的影响情况进行分析，不同行波速度时桥墩峰值的影响如表5所示。由表5可知，行波效应对桥梁结构地震响应的影响较大；地震动传播速度为1000m/s时，2#桥墩和3#桥墩墩底的纵向剪力、面内弯矩等取得极大值；地震动传播速度为1000m/s时，墩顶位移基本不受行波波速影响。综合来看，在研究大跨度桥梁抗震体系时，要对行波进行分析，并选出最不利结果进行综合研究。