廖令軍，唐 瑞

1.中鐵五局集團(tuán)第四工程有限責(zé)任公司，廣東 東莞 523000 2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060

近年來(lái)，我國(guó)橋梁數(shù)量與里程快速增加，有效提高橋梁質(zhì)量是橋梁可持續(xù)發(fā)展的重要要求。對(duì)于橋梁抗震體系來(lái)說(shuō)，有效減少橋梁受災(zāi)脆弱性，全面提高橋梁抗震能力，是保證橋梁高性能、高適應(yīng)性的重要內(nèi)容。文章基于地震空間變異性隨機(jī)地震動(dòng)，綜合考慮地震空間變異性效應(yīng)影響，進(jìn)行了橋梁抗震反應(yīng)影響分析，以期為大跨度橋梁抗震體系研究提供有效參考。

1 橋梁抗震分析基本理論

（1）靜力法。靜力法也叫震度法，是將地震作用下的結(jié)構(gòu)視為一剛體，假定結(jié)構(gòu)物與地基土的運(yùn)動(dòng)具有相同加速度，因地震力的作用，地面產(chǎn)生的加速度運(yùn)動(dòng)使結(jié)構(gòu)物受到慣性力作用，進(jìn)而計(jì)算出結(jié)構(gòu)的各種反應(yīng)[1]。

（2）反應(yīng)譜法。反應(yīng)譜法綜合考慮了構(gòu)筑物和地基土的動(dòng)力特征，是被廣泛應(yīng)用的抗震計(jì)算方法之一[2-3]。

（3）動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法通過(guò)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，直接將地震波作用于結(jié)構(gòu)，在時(shí)域內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)[2-3]。

2 基于地震空間變異性效應(yīng)的橋梁抗震反應(yīng)影響分析

2.1 建立有限元模型

以某座大跨度連續(xù)橋梁為例，其跨徑布置為（56+140+56）m，立面圖如圖1所示?；谟邢拊浖?，建立大跨度連續(xù)橋梁空間非線性分析模型，如圖2所示。

圖1 大跨度連續(xù)橋梁立面圖（單位：cm）

圖2 全橋空間非線性有限元簡(jiǎn)化模型

將其水平非約束方向值設(shè)置為2.00%，水平約束方向值設(shè)置為20.00%，通過(guò)P-?效應(yīng)，對(duì)其特征值進(jìn)行分析，得出該橋梁前3階自振周期，如表1所示。

表1 橋梁自震特性

2.2 橋梁抗震反應(yīng)的影響

地震空間變異性效應(yīng)包括行波效應(yīng)、失相干效應(yīng)、場(chǎng)地效應(yīng)。由于地震空間具有變異性，且地震臺(tái)所記錄的天然地震動(dòng)與實(shí)際橋梁位置存在差異，在實(shí)際工作中，需要結(jié)合特定反應(yīng)譜，合成空間變異性地震動(dòng)[4]。出于對(duì)不同場(chǎng)地條件影響的考慮，將場(chǎng)地類(lèi)型分為軟土（S）、中軟土（M）、硬土（F）。

設(shè)定1#橋墩和4#橋墩底部的場(chǎng)地條件為硬土類(lèi)型，2#橋墩與3#橋墩底部的場(chǎng)地條件相同，則失相干公式如下：

式中：a、b、c和β為常數(shù)；dj'n'為兩點(diǎn)間的距離；vapp為地震波傳播速度。

假設(shè)vapp的值分別為250m/s、500m/s和1000m/s，地震波采樣頻率為100Hz，地震波的上截?cái)囝l率為25Hz，地震波持續(xù)時(shí)間為20.49s，并考慮高相干性地震動(dòng)、中等相干性地震動(dòng)、弱相干性地震動(dòng)，對(duì)失相干程度的影響進(jìn)行考察。

下文設(shè)置了10種中空間變異性隨機(jī)地震動(dòng)工況，將該大跨度橋梁所有支承處的場(chǎng)地條件進(jìn)行分類(lèi)，若支承處全為硬土，記為“FFFF”；若1#、4#橋墩處支承為硬土，2#、3#橋墩處支承為中硬土，記為“FMMF”；若1#、4#橋墩處支承為硬土，2#、3#橋墩處支承為軟土，記為“FSSF”。地震空間變異性隨機(jī)地震動(dòng)工況如表2所示。為得到更加精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，針對(duì)每個(gè)工況，隨機(jī)生成20組地震波時(shí)程。計(jì)算中，將地震波縱向、地震波橫向的PGA設(shè)置為相同，將水平地震動(dòng)的PGA調(diào)幅至0.5g[5]。以工況4第一組地震波為例，對(duì)各支撐點(diǎn)處的加速度、位移時(shí)程曲線進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)人工生成的非一致地震動(dòng)的反應(yīng)譜與堅(jiān)硬場(chǎng)地情況下的目標(biāo)反應(yīng)譜進(jìn)行對(duì)比，最后得出模擬地震動(dòng)與經(jīng)驗(yàn)函數(shù)得出的失相干損傷對(duì)比情況。

表2 地震空間變異性隨機(jī)地震動(dòng)工況

2.3 地震空間變異性效應(yīng)的橋梁抗震反應(yīng)影響結(jié)果

（1）失相干效應(yīng)影響結(jié)果分析。為深入分析失相干效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，對(duì)工況4、工況9、工況10下的橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比可知，2#橋墩墩底的內(nèi)力和3#橋墩的位移在失相干程度較低時(shí)取得極大值，2#橋墩的位移和3#橋墩墩底剪力在失相干程度較高時(shí)取得極大值，不同失相干程度時(shí)橋墩峰值響應(yīng)如表3所示。綜合來(lái)看，在對(duì)地震空間變異性隨機(jī)地震動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)，要注重對(duì)地震波的失相干損失程度進(jìn)行準(zhǔn)確衡量。

表3 不同失相干程度時(shí)橋墩峰值響應(yīng)

（2）場(chǎng)地效應(yīng)影響結(jié)果分析。為總結(jié)出大跨度橋梁在不同場(chǎng)地類(lèi)型下的地震響應(yīng)的影響，對(duì)工況4、工況5、工況6進(jìn)行分析。對(duì)2#、3#主橋墩的內(nèi)力、位移峰值響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同場(chǎng)地類(lèi)型時(shí)橋墩峰值影響如表4所示。由表4可知，大跨度橋梁所在的場(chǎng)地條件對(duì)橋梁的地震響應(yīng)的影響極為明顯，場(chǎng)地條件越松軟，橋墩內(nèi)力、位移響應(yīng)越大，且增幅會(huì)不斷加大。其根本原因是場(chǎng)地條件越松軟，場(chǎng)地的卓越頻率與結(jié)構(gòu)的基頻越接近，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)共振[6-7]。因此，在大跨度橋梁抗震體系研究中，需要精準(zhǔn)判斷出大跨度橋梁支撐處的場(chǎng)地條件[8]。

表4 不同場(chǎng)地類(lèi)型時(shí)橋墩峰值影響

（3）行波效應(yīng)影響結(jié)果分析。根據(jù)上文給出的不同地震波傳播速度，即1000m/s、500m/s、250m/s，針對(duì)行波對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的墩底內(nèi)力、墩頂位移峰值的影響情況進(jìn)行分析，不同行波速度時(shí)橋墩峰值的影響如表5所示。由表5可知，行波效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響較大；地震動(dòng)傳播速度為1000m/s時(shí)，2#橋墩和3#橋墩墩底的縱向剪力、面內(nèi)彎矩等取得極大值；地震動(dòng)傳播速度為1000m/s時(shí)，墩頂位移基本不受行波波速影響。綜合來(lái)看，在研究大跨度橋梁抗震體系時(shí)，要對(duì)行波進(jìn)行分析，并選出最不利結(jié)果進(jìn)行綜合研究。

表5 不同行波速度時(shí)橋墩峰值的影響

3 結(jié)論

（1）在對(duì)橋梁抗震體系進(jìn)行研究時(shí)，需要充分考慮地震空間變異性隨機(jī)震動(dòng)，以及橋梁地震響應(yīng)的影響。在此過(guò)程中，可以選擇非一致性激勵(lì)方法、動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法等進(jìn)行分析和計(jì)算。

（2）地震空間變異性效應(yīng)包括失相干效應(yīng)、場(chǎng)地效應(yīng)、行波效應(yīng)，在地震作用下，要結(jié)合特定反應(yīng)譜，合成空間變異性地震動(dòng)，并對(duì)不同場(chǎng)地條件的影響進(jìn)行充分分析。