大跨连续刚构桥在长周期地震中的地震响应
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摘要
随着我国桥梁事业的发展,国内大型桥梁数量快速增加,桥梁体系也在悄然发生着变革：跨度更大,桥墩更高,整体刚度更小,造型更加美观。相应的也引出了新的课题：结构自振周期更大,地震响应更加强烈,抗震措施更加复杂。另外我国的地震活动较多而且强烈,几乎占世界大陆地震总量的三分之一。不久前的汶川地震,产生的地震波含有丰富的长周期成分,对已建的大跨度桥梁造成了较大的危害,同时也暴露出许多问题,大跨度桥梁在长周期地震中的抗震问题就显得日趋严峻。鉴于此,本文以大跨连续刚构桥为研究对象,进行以下几个方面的研究：
(1)针对研究内容分别建立六种空间有限元模型,进行各种模型结构自振特性分析；
(2)针对长周期地震波的特点,对模型输入含有较多长周期成分的地震波进行动力时程分析,并与输入普通地震波的动力时程分析进行对比；
(3)对结构进行桩—土—结构相互效应和行波效应的影响分析；
(4)改变大跨连续刚构桥的桥墩高度,对不同模型输入含有较多长周期成分的地震波进行动力时程分析,并与对应模型输入普通地震波的动力时程分析进行对比。
通过上述分析得到一些结论,如下：
(1)大跨连续刚构桥在长周期成分较多的地震波作用下,横桥向内力和位移响应大大增加；
(2)考虑桩—土—结构相互效应后,结构的基频降低,自振周期延长,在地震作用下结构各部分位移增大,主梁内力也有一定增大；
(3)考虑行波效应,结构内力和位移变化较大,有增有减,局部位置峰值增大；
(4)调整大跨连续刚构桥的桥墩高度,随着墩高的降低,结构自振周期减小,长周期地震波对结构局部响应的增大效果逐渐减小。
通过上述内容的分析希望对同类型结构的抗震设计和研究工作提供一定的帮助和参考。
Along with the development of our country bridges, a rapid increase in the number of domestic large-scale bridges, bridge systems are quietly undergoing changes:a greater span, pier higher, the overall stiffness of smaller, more beautiful shape. Accordingly leads to a new topic:structural natural periods greater, more intense seismic response, seismic measures more complex. In addition our country large and strong seismic activity, accounting for almost one-third of the world's total continental earthquakes. Recent Wenchuan earthquake in China, seismic waves were comparatively rich long-period components that have been built long-span bridges caused major damage, and also exposed many problems, long-span bridges in the long-period earthquakes in the seismic problem is increasingly difficult. In view of this, this paper span continuous rigid frame bridge as the research object for the following areas of study:
(1)establish for the content of the six space of finite element model,and do analysis various vibration characteristics of model structure;
(2) for long-period seismic wave characteristics, do input the model contains more long-period components of seismic wave dynamic analysis, and input common period seismic waves in the dynamic analysis were compared;
(3)do the structure of the pile-soil-structure interaction effect analysis and traveling wave effect analysis;
(4) change the pier height parameters, for different input of the model contains more long-period components of seismic wave dynamic analysis, and with the corresponding period of input seismic waves of ordinary dynamic analysis were compared.
Through the above analysis, some conclusions are drawn, as follows:
(1)span continuous rigid frame bridge components in more long-period seismic waves, transverse to the internal force and displacement response of greatly increased;
(2) considering pile-soil-structure interaction, the structure of the fundamental frequency decreases, extend the natural cycle, displacement of the structures increases,and also the main beams internal forces;
(3)considering wave effects, internal force and displacement have large changes,in particular large increases in local peak;
(4) adjusting span continuous rigid frame bridge pier height parameters, with the height of piers and the reduction of structural natural periods decrease, long-period seismic waves on the structure of the local response to the increasing effect of decreases.
Hope that through the above analysis of the structure of the same type of seismic design and research will provide some help and reference.
(1)针对研究内容分别建立六种空间有限元模型,进行各种模型结构自振特性分析；
(2)针对长周期地震波的特点,对模型输入含有较多长周期成分的地震波进行动力时程分析,并与输入普通地震波的动力时程分析进行对比；
(3)对结构进行桩—土—结构相互效应和行波效应的影响分析；
(4)改变大跨连续刚构桥的桥墩高度,对不同模型输入含有较多长周期成分的地震波进行动力时程分析,并与对应模型输入普通地震波的动力时程分析进行对比。
通过上述分析得到一些结论,如下：
(1)大跨连续刚构桥在长周期成分较多的地震波作用下,横桥向内力和位移响应大大增加；
(2)考虑桩—土—结构相互效应后,结构的基频降低,自振周期延长,在地震作用下结构各部分位移增大,主梁内力也有一定增大；
(3)考虑行波效应,结构内力和位移变化较大,有增有减,局部位置峰值增大；
(4)调整大跨连续刚构桥的桥墩高度,随着墩高的降低,结构自振周期减小,长周期地震波对结构局部响应的增大效果逐渐减小。
通过上述内容的分析希望对同类型结构的抗震设计和研究工作提供一定的帮助和参考。
Along with the development of our country bridges, a rapid increase in the number of domestic large-scale bridges, bridge systems are quietly undergoing changes:a greater span, pier higher, the overall stiffness of smaller, more beautiful shape. Accordingly leads to a new topic:structural natural periods greater, more intense seismic response, seismic measures more complex. In addition our country large and strong seismic activity, accounting for almost one-third of the world's total continental earthquakes. Recent Wenchuan earthquake in China, seismic waves were comparatively rich long-period components that have been built long-span bridges caused major damage, and also exposed many problems, long-span bridges in the long-period earthquakes in the seismic problem is increasingly difficult. In view of this, this paper span continuous rigid frame bridge as the research object for the following areas of study:
(1)establish for the content of the six space of finite element model,and do analysis various vibration characteristics of model structure;
(2) for long-period seismic wave characteristics, do input the model contains more long-period components of seismic wave dynamic analysis, and input common period seismic waves in the dynamic analysis were compared;
(3)do the structure of the pile-soil-structure interaction effect analysis and traveling wave effect analysis;
(4) change the pier height parameters, for different input of the model contains more long-period components of seismic wave dynamic analysis, and with the corresponding period of input seismic waves of ordinary dynamic analysis were compared.
Through the above analysis, some conclusions are drawn, as follows:
(1)span continuous rigid frame bridge components in more long-period seismic waves, transverse to the internal force and displacement response of greatly increased;
(2) considering pile-soil-structure interaction, the structure of the fundamental frequency decreases, extend the natural cycle, displacement of the structures increases,and also the main beams internal forces;
(3)considering wave effects, internal force and displacement have large changes,in particular large increases in local peak;
(4) adjusting span continuous rigid frame bridge pier height parameters, with the height of piers and the reduction of structural natural periods decrease, long-period seismic waves on the structure of the local response to the increasing effect of decreases.
Hope that through the above analysis of the structure of the same type of seismic design and research will provide some help and reference.
引文
[1]叶爱君,范立础.桥梁抗震.北京：人民交通出版社,2002,9.
[2]范立础,胡世德,叶爱君.大跨度桥梁抗震设计.北京：人民交通出版社,2001,4.
[3]范立础,卓卫东.桥梁延性抗震设计.北京：人民交通出版社,2001,4.
[4]JTG_TB02-01-2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社,2008,10.
[5]秦荣.大跨度桥梁结构.北京：科学出版社,2008.
[6]项海帆.斜张桥在行波效应作用下的地震反应分析[J].同济大学学报,1983,11(2)：1-9.
[7]卜一之,邵长江.大跨度悬索拱桥地震响应研究[J].桥梁建设,2004(6)：7-9.
[8]郑史雄,奚绍中,杨建忠.大跨度刚构桥的地震反应分析[J].西南交通大学学报,1997,32(6)：586-592.
[9]李忠献,史志利.行波激励下大跨度连续刚构桥的地震反应分析[J].地震工程与工程振动,2003,23(2)：68-76.
[10]郑史雄,周述华,丁桂保.大跨度钢筋混凝上拱桥的地震反应性能[J].西南交通大学学报,1997,34(3)：320-324.
[11]胡兆同,朱薇,刘建新.场地条件对桥梁减震设计效果的影响.世界地震工程,2008,6(2)：106-110.
[12]叶梅新,陶路,罗如登,莫朝庆.桩—土—结构相互作用对连续梁桥抗震性能的影响.中国西部科技,2007(12)
[13]姜秀娟,赵国辉,刘健新.桩—土相互作用对桥梁地震响应影响分析.公路,2007,5.
[14]林致胜.桩土效应对矮墩连续刚构的受力性能影响.中国水运,2008,11(8)：180-181.
[15]黄小国,胡大琳,张后举.行波效应对大跨度连续刚构桥地震反应的影响.长安大学学报,2008,1.
[16]罗棋少,于向东.太跨连续刚构桥梁的行波效应分析.华东公路,2009,8(4)：17-20.
[17]张亚辉,李丽媛,陈艳,林家浩.大跨度结构地震行波效应研究.大连理工大学学报,2005,7(4)：480-486.
[18]张振炫,陈清军.高层建筑结构长周期地震反应的比较研究.结构工程师,2009,8 (4)：78-84.
[19]臧明明,陈清军.长周期地震动的场地效应与大跨桥梁结构的动力响应分析.结构工程师,2010,2(1)：118-125.
[20]李想.大跨度预应力混凝土连续刚构桥地震反应分析.西南交通大学,2008,5.
[21]胡步毛.高墩大跨连续刚构桥地震响应分析.西南交通大学,2008,5.
[22]陈伟.大跨连续刚构桥的地震响应分析.西南交通大学,2007,12.
[23]蔡建业.大跨径高墩连续刚构桥地震响应及稳定性分析.西南交通大学,2008,9.
[24]张育乐,黄志文.有限元法和M法在桩土动力相互作用分析中的比较与探讨.江苏水利科技,2009,9.
[25]叶献国,冯锋杰,李康宁.土—上部结构相互作用的实用分析研究.岩土力学与工程学报,2008,6.
[26]范立础.桥梁抗震.人民交通出版社,1997.
[27]JTG D63-2007公路桥涵地基与基础设计规范.北京：人民交通出版社,2007,12.
[28]杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用.岩土力学,2004,12.
[29]董靖.大跨度空间结构考虑行波效应的地震动随机响应分析.福建建筑,2008,5.
[30]何庆祥,沈祖炎.结构地震行波效应分析综述.地震工程与程振动,2009,2.
[31]杨伟林,朱升初,洪海春,陶小三,唐忠良.汶川地震远场地震动特征及其对长周期结构影响的分析.防灾减灾工程学报,2009,8.
[32]俞言祥.长周期地震动研究综述.国际地震动态,2004,7.
[33]MIDAS/Civil用户手册.
[34]余玲玲.高墩大跨连续刚构桥地震反应分析.湖南大学,2008,5.
[35]冯卫军.高墩大跨曲线连续刚构桥优化设计及其地震响应时程分析.北京交通大学,2008,6.
[36]屈铁军,王君杰,王前信.空间变化的地震动功率谱的使用模型.地震学报,1996,1(1)：55-62.
[37]俞言祥.长周期地震动衰减关系研究.中国地震局地球物理研究所,2002,12.
[38]JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社,2004.
[39]Clough R,PenzienJ.Dynamics of Structures[M].New York:McGraw Hill,1975.
[40]Leger P,Ide I M,Pauhre P.Multiple Support Seismic Analysis of Large Structures [J].Computers &.Structures,1990.
[41]李国豪.桥梁结构稳定与振动.北京：中国铁道出版社,1992.
[42]叶爱君.大跨度桥梁抗震设计.同济大学,1998.
[43]范立础,王志强.桥梁减隔震设计.北京：人民交通出版社,2001.
[44]张伟,刘建新,张茜,卢启煌.大跨径连续刚构桥地震反应分析.工程抗震与加固改造,2005,6.
[45]赵国辉,刘健新.徐水河大桥抗震计算分析.第十六届全国桥梁学术会议论文集(下册),2004.
[2]范立础,胡世德,叶爱君.大跨度桥梁抗震设计.北京：人民交通出版社,2001,4.
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