近場(chǎng)地震對(duì)深水橋墩地震響應(yīng)的影響分析

近場(chǎng)地震對(duì)深水橋墩地震響應(yīng)的影響分析

1近場(chǎng)地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的特殊響應(yīng)及災(zāi)后分析近年來，近場(chǎng)地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)在附近地震的大量地震中。例如，1994年美國的北庭地震（m6.7）、1995年日本的coba地震（m7.2）和臺(tái)灣的ch-ch地震（m7.6）。從這幾次地震所得到的記錄中可以看出,大多數(shù)近場(chǎng)地震均具有較大的PGV/PGA值及明顯的速度脈沖,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移響應(yīng)產(chǎn)生了較大的影響。而我國是一個(gè)多地震的國家,境內(nèi)地震帶及地震斷層較多,一些大型橋梁很可能跨越斷層或鄰近斷層。因此,在我國深入研究近場(chǎng)地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的特殊響應(yīng)以及減災(zāi)措施是十分必要的。另一方面,由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,我國還將在大江大河上修建許多大跨度橋梁,以及跨海大橋,如我國擬建的六大跨海工程,跨海大橋的修建必將是其關(guān)鍵工程之一。大跨度橋梁的橋墩往往處于深水當(dāng)中,我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ111-87)規(guī)定:“梁式橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)體橋墩,在常水位以下部分,水深超過5m時(shí),應(yīng)計(jì)入地震動(dòng)水壓力對(duì)橋墩的作用?！痹跇蛄航Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析領(lǐng)域,近年來王君杰教授等曾研究了橋墩地震響應(yīng)的水動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。本文利用動(dòng)水附加質(zhì)量的方法考慮水-結(jié)構(gòu)的相互作用,分析了不同類型近場(chǎng)地震作用下深水橋墩的特殊地震響應(yīng)。2分析2.1近場(chǎng)地震記錄的選取選用了分別來自不同地區(qū)的3次地震的6條近場(chǎng)地震記錄,圖1(a)～(f)列出了6條地震波的速度時(shí)程曲線。為了分析PGV/PGA值及速度脈沖效應(yīng)與橋墩地震響應(yīng)的關(guān)系,在所選取的6條地震波當(dāng)中,來自同一地震事件的記錄都具有相近的加速度峰值,而速度峰值相差很大,即不同的PGV/PGA值,所選用的近場(chǎng)地震記錄主要參數(shù)如表1所示。從以上地震波的速度時(shí)程曲線可以看出,具有較大速度峰值的Tcu052w波、Tak000波和Scs052波都具有較明顯的速度脈沖,而Syl090波雖然速度峰值相對(duì)較小,但也有明顯的脈沖現(xiàn)象。2.2動(dòng)水附加質(zhì)量采用有限元方法計(jì)算地震動(dòng)水壓力,計(jì)算模型如圖2所示。橋墩截面為3m×6m的等截面矩形橋墩,假設(shè)地基為剛性地基,橋墩結(jié)構(gòu)采用三維彈性梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散,上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量單元。本文主要采用Morison方程方法來分析地震動(dòng)水壓力對(duì)深水橋墩的影響。Morison方程方法是指以Morison方程為基礎(chǔ),把水等效為附加質(zhì)量來考慮水對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,再采用有限元方法計(jì)算橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。該方法忽略了結(jié)構(gòu)對(duì)水運(yùn)動(dòng)的影響,認(rèn)為水對(duì)結(jié)構(gòu)的作用主要分別由未受擾動(dòng)的加速度場(chǎng)和速度場(chǎng)引起的沿水運(yùn)動(dòng)方向作用于結(jié)構(gòu)上的慣性力和阻力。對(duì)于圓截面柱體橫橋向小尺寸結(jié)構(gòu),地震動(dòng)引起的動(dòng)水壓力計(jì)算公式為:Fw=ρVu¨+(CΜ-1)ρV(u¨-¨x-¨xg)+12CDρAΡ[(˙u-˙x-˙xg)|(˙u-˙x-˙xg)|](1)Fw=ρVu¨+(CM?1)ρV(u¨?x¨?x¨g)+12CDρAP[(u˙?x˙?x˙g)|(u˙?x˙?x˙g)|](1)式中,ρ為水的密度;u¨u¨、˙uu˙為水的絕對(duì)加速度和絕對(duì)速度;¨xx¨、˙xx˙為結(jié)構(gòu)的相對(duì)加速度和相對(duì)速度;¨xgx¨g為地面運(yùn)動(dòng)加速度;CM為動(dòng)水慣性力系數(shù);CD為動(dòng)水粘性阻尼系數(shù)。假設(shè)橋梁處于靜水當(dāng)中,即u¨=˙u=0u¨=u˙=0時(shí),方程可寫為:Fw=-(CΜ-1)ρV(¨x+¨xg)-12CDρAΡ[(˙x+˙xg)|(˙x+˙xg)|](2)Fw=?(CM?1)ρV(x¨+x¨g)?12CDρAP[(x˙+x˙g)|(x˙+x˙g)|](2)研究指出,動(dòng)水阻力引起的橋墩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)變化率很小,為簡(jiǎn)化計(jì)算,本文忽略了動(dòng)水阻力的影響,則整個(gè)水-結(jié)構(gòu)相互作用體系在地震作用下的動(dòng)力平衡方程可以表示為:Μ¨x+C˙x+Κx=-Μ¨xg-(CΜ-1)ρV(¨x+¨xg)(3)即[Μ+ΜW]¨x+C˙x+Κx=-[Μ+ΜW]¨xg(4)式中ΜW=(CΜ-1)ρV(5)Mx¨+Cx˙+Kx=?Mx¨g?(CM?1)ρV(x¨+x¨g)(3)即[M+MW]x¨+Cx˙+Kx=?[M+MW]x¨g(4)式中MW=(CM?1)ρV(5)根據(jù)我國1982年頒布的《海水固定平臺(tái)建造規(guī)范》規(guī)定:對(duì)于圓柱體結(jié)構(gòu)CM=2.0,本文計(jì)算時(shí),動(dòng)水慣性力系數(shù)CM的取值以此為依據(jù)。對(duì)于矩形截面柱體,單位高度上動(dòng)水附加質(zhì)量可以通過等效圓柱體單位高度上的動(dòng)水附加質(zhì)量乘上一修正系數(shù)Kc得到,Kc與矩形截面形狀參數(shù)(D/B)有關(guān),如式(6)所示Μrw=Κc(D/B)Μcw(6)Mrw=Kc(D/B)Mcw(6)式中Mrw、Mcw分別為矩形截面柱體和以D為直徑的圓柱體單位高度上的動(dòng)水附加質(zhì)量,D、B分別為與結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向垂直和平行的矩形截面邊長。當(dāng)D/B=2時(shí),Kc=1.361;當(dāng)(D/B)=0.5時(shí),Kc=1.694。3單墩模型某大橋11號(hào)橋墩位于深水當(dāng)中,最大水深為20m,該橋墩為矩形截面實(shí)體橋墩,截面為3m×6m,墩高24.7m,墩上為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁,計(jì)算跨度為51.1m,梁高4.25m,簡(jiǎn)化的橋梁?jiǎn)味漳Ｐ腿鐖D2所示,墩頂集中質(zhì)量取一跨梁橋面系的質(zhì)量,其值為501798kg;地震設(shè)計(jì)烈度為8度。輸入最大水平加速度幅值調(diào)整為0.2g,輸入地震動(dòng)為按比例經(jīng)過調(diào)整的以上6條近場(chǎng)地震記錄。3.1動(dòng)水壓力對(duì)橋墩振動(dòng)特性的影響用有限元程序?qū)θS橋墩系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析,得出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期,表2列出了橋墩系統(tǒng)不同方向上在無水和有水(20m)情況下的前兩階振動(dòng)周期。從表2可以看出,由于有水附加質(zhì)量的影響,橋墩系統(tǒng)的振動(dòng)特性在順橋向結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期明顯增大,而橫橋向增大則不明顯,這是由于橋墩為矩形截面,垂直于順橋向的截面邊長大于垂直于橫橋向的截面邊長,由式(6)可以得出:順橋向的動(dòng)水附加質(zhì)量要明顯大于橫橋向的動(dòng)水附加質(zhì)量,因而動(dòng)水壓力對(duì)橋墩系統(tǒng)兩個(gè)方向上的振動(dòng)特性的影響有很大差別。由式(6)還可以看出,矩形截面形狀參數(shù)D/B的比值越大,動(dòng)水壓力對(duì)垂直于截面長邊方向上的振動(dòng)特性影響就越大。3.2在附近地震的作用下，動(dòng)水壓對(duì)橋的地震響應(yīng)的影響3.2.1近場(chǎng)地震作用下橋墩的地震響應(yīng)值本文所選用的6條地震記錄均為近場(chǎng)記錄,使用有限元程序就這6條近場(chǎng)地震記錄對(duì)橋墩系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)程分析,表3及表4列出了在順橋向地震動(dòng)激勵(lì)下橋墩墩底內(nèi)力和墩頂位移響應(yīng)最大值的計(jì)算結(jié)果。其中,有水時(shí)的水深為20m,R為動(dòng)水壓力對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響率,其值為:R=有水時(shí)橋墩地震響應(yīng)值-無水時(shí)橋墩地震響應(yīng)值無水時(shí)橋墩地震響應(yīng)值×100%R=有水時(shí)橋墩地震響應(yīng)值?無水時(shí)橋墩地震響應(yīng)值無水時(shí)橋墩地震響應(yīng)值×100%由表3及表4可以得出,在近場(chǎng)地震動(dòng)作用下,當(dāng)輸入地震波的加速度峰值相同時(shí),具有較大速度峰值的近場(chǎng)地震記錄引起的橋墩地震響應(yīng)明顯大于速度峰值較小的地震記錄引起的橋墩地震響應(yīng),無論在無水時(shí)還是在有水時(shí),前者比后者都大很多,可見較大的速度峰值,即較大的PGV/PGA值(本算例中引起較大地震響應(yīng)的地震記錄的PGV/PGA值都大于0.2)是近場(chǎng)地震具有更強(qiáng)破壞力的原因之一。較大的PGV/PGA值會(huì)使反應(yīng)譜加速度敏感區(qū)變寬,因而結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也會(huì)明顯變大。由表3及表4還可以看出,在近場(chǎng)地震作用下,動(dòng)水壓力對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有顯著的影響,其中在Tcu052w波激勵(lì)下,墩底剪力有水時(shí)比無水時(shí)增大了近100%,最小的R值也達(dá)到了近35%。另一方面,在具有明顯速度脈沖的Tcu052w波、Tak000波、Scs052波和Sy1090波激勵(lì)下,動(dòng)水壓力對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響率明顯較大,墩底剪力增大了90%以上,墩底彎矩增大了60%左右,墩頂位移增大了50%左右,比不具有明顯速度脈沖的地震波激勵(lì)下的相應(yīng)影響率大20%以上。可見速度脈沖效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步增大動(dòng)水壓力對(duì)深水橋墩地震響應(yīng)的影響。圖3(a)～(c)列出了順橋向地震動(dòng)(Sy1090波)激勵(lì)下深水橋墩墩底剪力、墩底彎矩及墩頂位移的地震響應(yīng)時(shí)程曲線。3.2.2速度脈沖效應(yīng)表5列出了橫橋向地震動(dòng)激勵(lì)下橋墩墩底內(nèi)力響應(yīng)最大值的計(jì)算結(jié)果:由表5可以得出,在各類近場(chǎng)地震波作用下,橫橋向橋墩墩底內(nèi)力響應(yīng)有水時(shí)有些增大,但差別不大,速度脈沖效應(yīng)對(duì)其影響也很小,這主要是因?yàn)闄M橋向橋墩基本自振周期比較小、與所選擇地震波卓越周期相差較大的緣故。另外,動(dòng)水壓力對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響也很小,最大不超過10%,由表2也可以看出,動(dòng)水附加質(zhì)量幾乎沒有改變橋墩的動(dòng)力特性,這是由于橋墩垂直于橫橋向的迎水的截面邊長相對(duì)較小,從而動(dòng)水附加質(zhì)量也較小,不足以顯著的改變深水橋墩的地震響應(yīng)?？梢?在本算例中,地震動(dòng)激勵(lì)方向不同,近場(chǎng)地震波特性及動(dòng)水壓力對(duì)深水橋墩的地震響應(yīng)影響程度有顯著的差別。4近場(chǎng)地震波特性及動(dòng)水壓力的影響通過以上分析可得到如下結(jié)論:(1)具有較大的PGV/PGA值的近場(chǎng)地震動(dòng)會(huì)引起橋墩結(jié)構(gòu)較大的地震響應(yīng);動(dòng)水壓力對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有顯著