考虑地形影响的多点输入下大跨桥梁地震反应及碰撞反应分析

摘要

大跨度桥梁的地震响应分析一直是桥梁工程行业内关注的焦点问题，传统桥梁结构时程分析都是基于地面运动在整个基础范围内一致的假定，但是对于大跨度桥梁结构这种假定并不符合实际情况。因为地震时从震源释放出来的能量以地震波的形式传至地表，而地表各点接收到的地震波是经由不同的路径、不同的地形地质条件而到达的，因而反映到地表的震动必然存在差异。是否考虑这种效应的影响，大跨度桥梁结构的地震反应分析结果将存在很大的差异。大量的震害也表明，地表地形对地面运动有很强的放大和缩小作用，直接影响到震害的分布，因而也对桥梁震害有很大的影响。本文结合西部山区不断涌现的高墩梁式桥为研究对象，探讨了地形影响的桥梁地震反应和碰撞反应规律。主要内容如下：
　　 ⑴高墩梁式桥在西部的山区不断涌现，由于跨越地形复杂，河谷、深沟众多，导致桥墩各支承点的地震动输入有很大的不同。本文考虑地震动在复杂地形条件下的各种效应，分析了均匀粘弹性半空间上局部相邻对称山脊平台加河谷地形对地震波的散射作用，分析了各个控制观测点在单脉冲输入下的反应、传递函数以及在实际近断层大速度脉冲地震动输入下的时程反应。结果表明：山脊平台各点放大效应十分明显，山脊平台和山坡的地形突变处出现最大放大倍数，山坡点和山脚点呈缩小趋势，峡谷各点放大现象显著，尤其是峡谷和山脚平台地形突变点处，这种放大作用更加突出。这对跨深大河谷的桥梁工程的抗震设防不利。
　　 ⑵在考虑地形影响的多点输入模式下对桥梁结构进行多点多维地震反应分析，并与一致激励模式下的桥梁结构地震反应分析作结果对比。结果表明：桥梁结构地震反应时程曲线不仅在形状上(时程包线形状)有一定变化，同时地震反应峰值也有所变化：两侧桥墩处位移都有一定的放大，而且从反应时程曲线上看与中间桥墩位移差动明显，并因此引起了较复杂的内力响应：考虑地形影响使桥梁的墩顶位移、速度、加速度与墩底的剪力、弯矩等各相关量的衰减都更慢。
　　 ⑶对桥梁支座和伸缩缝进行了合理的模拟后，在考虑地形影响的多点输入模式下对桥梁结构进行碰撞反应分析。结果表明：由于考虑地形影响后两侧梁的位移差动增大，考虑地形影响的多点激励与一致激励下相比桥梁碰撞次数增多，桥梁碰撞延续时间增长；地形影响使碰撞单元所在桥墩的地震反应都有不同程度的放大效应，地形影响使桥梁的墩顶位移、墩底的剪力和弯矩的衰减都有很明显的延迟，使桥梁的各相关量衰减得更慢：尽管考虑桥梁梁板碰撞并考虑地形影响与考虑碰撞而不考虑地形影响相比，在一定程度上减小了中间桥墩的内力和位移反应，但却增大了左右墩处支座的反应，使其发生剪切失效的可能性大大增加。