地震動(dòng)空間效應(yīng)對(duì)大跨度橋梁非線性地震響應(yīng)的影響

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1、第7卷第4期震災(zāi)防御技術(shù)Vol.7,No.42012年12月TechnologyforEarthquakeDisasterPreventionDec.,2012黃信，黃兆緯，胡雪瀛，蔡浩良，齊麟，劉濤，王傳奇，2012．地震動(dòng)空間效應(yīng)對(duì)大跨度橋梁非線性地震響應(yīng)的影響．震災(zāi)防御技術(shù)，7（4）：384—391.地震動(dòng)空間效應(yīng)對(duì)大跨度橋梁非線性1地震響應(yīng)的影響1）1）1）1）黃信黃兆緯胡雪瀛蔡浩良1）1）2）齊麟劉濤王傳奇1）天津市建筑設(shè)計(jì)院，天津3000742）孟菲斯大學(xué)，美國(guó)田納西38152摘要由于大跨度橋梁的橋墩間距離較大，其地震響應(yīng)分析應(yīng)考慮地震動(dòng)輸入的空間效應(yīng)。本文建立了

2、多點(diǎn)激勵(lì)下大跨度橋梁地震響應(yīng)分析方法，采用損傷塑性本構(gòu)模型模擬混凝土材料特性，考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行非線性地震響應(yīng)分析，從而分析地震動(dòng)空間效應(yīng)對(duì)大跨度橋梁地震響應(yīng)的影響。研究表明：考慮行波激勵(lì)或多點(diǎn)激勵(lì)時(shí)橋梁地震響應(yīng)較一致激勵(lì)而言有所差異，考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)時(shí)可能會(huì)夸大或減小橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；多點(diǎn)激勵(lì)時(shí)橋梁地震響應(yīng)會(huì)隨視波速的改變而變化。由此得出結(jié)論，對(duì)于大跨度橋梁地震響應(yīng)分析應(yīng)合理的考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)。關(guān)鍵詞：大跨度橋梁地震作用地震動(dòng)空間效應(yīng)損傷塑性模型引言橋梁地震響應(yīng)分析方法主要有概率分析方法和確定性分析方法（劉光棟等，1996；林家浩等，2001；范

3、立礎(chǔ)等，2001）。概率分析方法是把具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的地震動(dòng)作用到結(jié)構(gòu)上求出結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，其建立在地面運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)特征的基礎(chǔ)上，不受任意選擇的某一個(gè)輸入地震波的控制；但由于其數(shù)學(xué)處理復(fù)雜、計(jì)算量大，現(xiàn)有研究往往把復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成較少自由度的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)加以分析。確定性分析方法是以地震動(dòng)為確定過程的地震反應(yīng)分析方法，包括反應(yīng)譜法和動(dòng)力時(shí)程分析法。反應(yīng)譜法使用簡(jiǎn)單，但尚難用于多點(diǎn)激勵(lì)分析，同時(shí)對(duì)于自振周期超過5s的橋梁結(jié)構(gòu)或當(dāng)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下進(jìn)入塑性階段時(shí)則不能直接應(yīng)用。動(dòng)力時(shí)程分析法主要依據(jù)現(xiàn)有地震加速度記錄求出結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，可以分析結(jié)構(gòu)在地震作用下彈性和彈塑性階段的內(nèi)力變化，而隨著大型

4、有限元軟件的發(fā)展，現(xiàn)有橋梁地震響應(yīng)分析主要采用動(dòng)力時(shí)程分析法。動(dòng)力時(shí)程分析法會(huì)隨輸入地震波的不同而有所差異。對(duì)于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)而言，橋墩之間距離較大，強(qiáng)震發(fā)生時(shí)行波效應(yīng)、相干效應(yīng)以及局部場(chǎng)地效應(yīng)的影響，會(huì)導(dǎo)致地基各點(diǎn)的振動(dòng)幅值和相位存在較大差異，為合理對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行地震響應(yīng)分析，應(yīng)考慮地震［收稿日期］2012-07-02［作者簡(jiǎn)介］黃信，男，生于1983年。博士。從事工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與研究。E-mail:huangxin1395602@163.com4期黃信等：地震動(dòng)空間效應(yīng)對(duì)大跨度橋梁非線性地震響應(yīng)的影響385動(dòng)輸入的空間效應(yīng)（李忠獻(xiàn)等，2003；Dumanogluid等

5、，2003；Lou等，2005；Dameron等，1997；孫建梅，2005；史志利，2003）。行波效應(yīng)是由于地震波傳播速度有限，當(dāng)支座間距離很大時(shí)，必須考慮地震波到達(dá)各個(gè)支座的時(shí)間差。部分相干效應(yīng)是由于不均勻場(chǎng)地中地震波的反射和折射，以及震源的不同位置傳到不同支座的地震波的疊加方式不同，各個(gè)支座所受的激勵(lì)并不完全相干。局部場(chǎng)地效應(yīng)是因?yàn)椴煌С刑巿?chǎng)地條件不同，它們影響地震地面運(yùn)動(dòng)的振幅和頻率成分的方式不同。同時(shí)，對(duì)于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)而言，地震響應(yīng)分析中還應(yīng)考慮材料的非線性（Lee等，1998；黃信等，2010）。本文考慮地震動(dòng)輸入的空間效應(yīng)，建立多點(diǎn)激勵(lì)下大跨度橋梁地震響應(yīng)

6、分析方法，編制了考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)的地震動(dòng)場(chǎng)模擬程序，采用損傷塑性本構(gòu)模擬混凝土的材料特性，對(duì)某大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行非線性地震響應(yīng)分析，研究地震動(dòng)空間效應(yīng)對(duì)大跨度橋梁地震響應(yīng)的影響，從而為大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。1大跨度橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析方法1.1多點(diǎn)激勵(lì)下橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程對(duì)于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，多點(diǎn)不同步地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程與一致地震激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)方程不同，此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程采用分塊矩陣形式表示（李忠獻(xiàn)等，2003；Dumanogluid，2003；Lou等，2005；Dameron等，1997）：??????MM????XX??CC?????KKX???0?sssb

7、sssssbsssbs????????++=??????（1）??????MMbsbb????XX??bbCCbsbb?????KKXbsbb?b??Fb?式中，X、X?和X??分別表示地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)支座節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)位移、速度和加速度向量；bbbX、X?和X??分別表示地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)非支座節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)位移、速度和加速度向量；Fsssb表示地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)支座節(jié)點(diǎn)的力。1.2考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)的地震動(dòng)場(chǎng)的模擬考慮地震場(chǎng)中兩測(cè)點(diǎn)k、l，假設(shè)它們?cè)诘卣鸩▊鞑シ较虻木嚯x為d，地震波的主要圓頻率為ω，相干函