世界最大跨斜拉橋的非一致地震地震反應(yīng)分析

世界最大跨斜拉橋的非一致地震地震反應(yīng)分析

大、中、連接橋的最大寬度與地震波的波長(zhǎng)相同（公里）。因此，有必要考慮地震波空間變化的影響，即不是共同的（共同的）地震地面運(yùn)動(dòng)，而不是共同的（所有相位的）地震地面運(yùn)動(dòng)。非一致地震地面運(yùn)動(dòng)還被稱為多點(diǎn)激勵(lì)(multi-supportexcitations)和空間變異(spatiallyvarying)地震地面運(yùn)動(dòng)。與一致地震地面運(yùn)動(dòng)不同,非一致地震地面運(yùn)動(dòng)包含以下四個(gè)因素:大河或海灣兩岸不同塔墩基礎(chǔ)的場(chǎng)地土類往往明顯不同;天然土層分層界面和厚度的不均勻性導(dǎo)致地震波自斷層破裂點(diǎn)(震源)至塔墩基礎(chǔ)傳播時(shí)不規(guī)則折射、反射引起的不同塔墩基礎(chǔ)地面運(yùn)動(dòng)的失相干(decoherence)效應(yīng)、地震波以有限速度傳播的波傳播(時(shí)滯)效應(yīng);和地震波在傳播過(guò)程中的衰減效應(yīng)。對(duì)千米尺度的特大橋而言,第四項(xiàng)效應(yīng)最弱,所以主要應(yīng)當(dāng)考慮前三項(xiàng)。而目前還沒(méi)有證據(jù)說(shuō)這三項(xiàng)中哪個(gè)效應(yīng)影響最大。這三項(xiàng)效應(yīng)對(duì)特大橋地震反應(yīng)有兩方面的影響:不同步的動(dòng)荷載(一致地震只產(chǎn)生同步動(dòng)荷載),和基礎(chǔ)相對(duì)位移對(duì)靜不定橋梁結(jié)構(gòu)的偽靜力效應(yīng)。前者往往降低橋梁的動(dòng)力反應(yīng),而后者則是一致地震地面運(yùn)動(dòng)所沒(méi)有,是非一致地震地面運(yùn)動(dòng)另外加給特大橋的。實(shí)際特大橋的非一致地震反應(yīng)是這兩部分的組合,很難說(shuō)最終的非一致地震反應(yīng)比一致地震反應(yīng)一定大或者一定小。這即依賴于橋梁靜不定程度和剛度,也依賴于各塔墩基礎(chǔ)非一致地震波的具體情況。所以,過(guò)去不同的研究結(jié)果給出了不同結(jié)論。因此,對(duì)一座橋而言,選擇高質(zhì)量的非一致地震地面運(yùn)動(dòng)做為輸入十分重要。非一致地震地面運(yùn)動(dòng)的輸入分兩類:實(shí)際非一致地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí)程記錄群,和人工產(chǎn)生的時(shí)程歷史群。前者除需要在相同的強(qiáng)震震級(jí)、相同震中距、震波傳播路徑上相同的土層結(jié)構(gòu)和性質(zhì),以及橋位有相同的場(chǎng)地土類之外,還需要間距為千米尺度的強(qiáng)震臺(tái)站陣列(密集臺(tái)陣)記錄。同時(shí)滿足這些要求的記錄幾乎沒(méi)有,導(dǎo)致所有有關(guān)特大橋非一致地震反應(yīng)的研究都不能使用實(shí)際非一致地震地面運(yùn)動(dòng)記錄群。最簡(jiǎn)單的非一致地震地面運(yùn)動(dòng)輸入是行波模型,假定一定范圍的行波速度,用一個(gè)點(diǎn)的地面運(yùn)動(dòng)以時(shí)間差的方式加到不同塔墩基礎(chǔ)。這個(gè)方法不能考慮其他兩個(gè)效應(yīng),顯然給不出橋梁對(duì)非一致地震的反應(yīng)的可靠結(jié)果。人工產(chǎn)生的時(shí)程歷史對(duì)非一致地震而言又有兩類方法:基于隨機(jī)振動(dòng)的方法,和基于確定論的模擬斷層斷裂情景(scenario)和空間波傳播的大規(guī)模三維動(dòng)力有限元分析的方法。最有代表性的基于隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生非一致地震地面運(yùn)動(dòng)的方法是:假定非一致地震地面運(yùn)動(dòng)的相干函數(shù)是由反映場(chǎng)地土類差異的相干函數(shù)、反映失相干性的相干函數(shù)、和反映波傳播的相干函數(shù)連乘組成的,然后用隨機(jī)三角級(jí)數(shù)和的形式產(chǎn)生人工波群。這是一種頻域法。其中,反映場(chǎng)地土類差異的相干函數(shù)、和反映波傳播的相干函數(shù)中的系數(shù)可以用一般方法實(shí)測(cè),但反映失相干性的相干函數(shù)的系數(shù)卻只能靠臺(tái)站間距達(dá)千米級(jí)的密集臺(tái)陣實(shí)測(cè),這樣的臺(tái)陣捕捉到強(qiáng)震的可能性微乎其微。該文作者根據(jù)當(dāng)時(shí)世界上僅有非一致地震地面運(yùn)動(dòng)的密集臺(tái)陣記錄——臺(tái)灣SMART-I臺(tái)陣的強(qiáng)震記錄確定了這個(gè)系數(shù),顯然這樣確定的系數(shù)只反映臺(tái)灣SMART-I臺(tái)陣當(dāng)?shù)氐氖喔尚?不代表其他地方?；诖_定論的產(chǎn)生非一致地震人工波群的方法則把包括橋位附近假定的斷層斷裂位置和所有斷層和地層的幾何形狀和土層性質(zhì)用三維有限元模型表示,根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料假定各種可能的斷裂位置和斷裂長(zhǎng)度,求解斷裂引起的地震波傳播的折射和反射過(guò)程,從而得到各個(gè)塔墩基礎(chǔ)的非一致地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí)程歷史群。這種計(jì)算由于自由度太多,一般用并行機(jī)計(jì)算?！罢裥童B加-有限差分雜交法(hybridmethodofmodesuperpositionandfinitedifference)”(簡(jiǎn)稱雜交法)屬于這種方法。不同動(dòng)力特性的結(jié)構(gòu)對(duì)不同的地震動(dòng)參數(shù)敏感,特大橋的動(dòng)力特性明顯有別于一般房屋,所敏感的地震動(dòng)參數(shù)也不同(如非一致地震地面運(yùn)動(dòng),反應(yīng)譜長(zhǎng)周期分量等),所以不能只用針對(duì)房屋建筑的地震動(dòng)參數(shù),做特大橋的抗震設(shè)計(jì)。與具有母體平均性質(zhì)的反應(yīng)譜相比,時(shí)程歷史波相當(dāng)于MonteCarlo模擬,一條時(shí)程歷史只是隨機(jī)過(guò)程母體的一個(gè)實(shí)現(xiàn),特大橋時(shí)程分析耗時(shí)太大,不可能分析成百上千組時(shí)程歷史的反應(yīng),然后統(tǒng)計(jì)。當(dāng)只用3、5或10組波時(shí),必須保證所選波的高質(zhì)量。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是:我國(guó)現(xiàn)行‘工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范GB17741-1999’在以下方面不滿足橋梁抗震的需要,不能保證橋梁的抗震安全性:(1)對(duì)所提供的場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)只提‘場(chǎng)地地表與工程建設(shè)所要求深度的地震動(dòng)……場(chǎng)地地震相關(guān)反應(yīng)譜’,不規(guī)定反應(yīng)譜的周期范圍。纜索支承橋梁基本周期常在10s以上,這個(gè)周期段的反應(yīng)譜值對(duì)纜索支承橋梁的地震反應(yīng)有不可忽略的影響。因此文獻(xiàn)沒(méi)有考慮特大跨結(jié)構(gòu)的抗震需求。(2)只提相互獨(dú)立的時(shí)程歷史,‘相互獨(dú)立’只是個(gè)含糊的說(shuō)法,不具可操作性。因?yàn)槿魏我粚?duì)人工波的相關(guān)系數(shù)不可能達(dá)到0,因此必須給出各人工波間的相關(guān)系數(shù)的容許上限。對(duì)跨度大于600m的纜索支承橋梁而言,必須考慮非一致地震作用,此時(shí)的基本運(yùn)動(dòng)方程的地面運(yùn)動(dòng)輸入包括地面速度和位移時(shí)程歷史,因此檢查速度和位移人工波的互相關(guān)至關(guān)重要。文獻(xiàn)規(guī)定加速度人工波間相關(guān)系數(shù)不得超過(guò)0.1,速度人工波間相關(guān)系數(shù)不得超過(guò)0.2,位移人工波間相關(guān)系數(shù)不得超過(guò)0.3。文獻(xiàn)不提對(duì)它們互相關(guān)系數(shù)的具體要求,而且根本不提速度波和位移波,因此不能保證滿足特大橋的需要。(3)文獻(xiàn)對(duì)人工波只明確提出了‘反應(yīng)譜的周期控制點(diǎn)數(shù)不得少于50個(gè),控制點(diǎn)譜的相對(duì)誤差應(yīng)小于5%’,并不規(guī)定怎樣取這50個(gè)點(diǎn)。文獻(xiàn)則要求提供的地面運(yùn)動(dòng)人工波在規(guī)定的75+75個(gè)周期點(diǎn)上譜的相對(duì)誤差應(yīng)在?5%～+10%。以上3點(diǎn)對(duì)保證人工波的質(zhì)量都是必要的,但文獻(xiàn)都有嚴(yán)重的缺失;(4)文獻(xiàn)只規(guī)定地震安全性評(píng)價(jià)給出的地震動(dòng)參數(shù)為‘地震引起地面運(yùn)動(dòng)的物理參數(shù),包括加速度、反應(yīng)譜等’,沒(méi)有明確提供地震動(dòng)時(shí)程。在確定場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)過(guò)程中只提‘(II、III級(jí)工程)應(yīng)對(duì)一組(至少三個(gè))輸入時(shí)程分析結(jié)果予以綜合評(píng)定’。大跨橋需要空間分析模型,因此需要同時(shí)輸入地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí)程歷史的三方向分量,即使是一致地震地面運(yùn)動(dòng),一個(gè)點(diǎn)就是三條時(shí)程歷史,三組輸入就是9條時(shí)程歷史。對(duì)非一致地震地面運(yùn)動(dòng)而言,一組四個(gè)塔墩基礎(chǔ)的時(shí)程歷史就是12條,三組就是36條。至于‘三個(gè)以上的地震動(dòng)時(shí)程’的要求,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)橋梁抗震的需要:即使對(duì)跨度不超過(guò)150m的橋,美國(guó)AASHTOLRFD,2002設(shè)計(jì)規(guī)范2版規(guī)定,也需要5組譜一致的時(shí)程歷史,取最大反應(yīng);EUROCODE8,1996版要求甚至10組時(shí)程歷史,取平均反應(yīng)。(5)實(shí)際地震波都是依次到達(dá)的體波的P波、S波,然后是面波的壓縮波,剪切波,它們的頻率組成彼此不同,因此任何地震地面運(yùn)動(dòng)都是真非平穩(wěn)過(guò)程,即其頻譜每秒都在變化。但文獻(xiàn)完全不提地震動(dòng)時(shí)程的頻率非平穩(wěn)要求,只提包絡(luò)函數(shù),包絡(luò)函數(shù)只改變振幅,不能改變頻率,使用包絡(luò)函數(shù)的時(shí)程歷史只不過(guò)是偽非平穩(wěn)的,因此不能保證人工波的必要質(zhì)量。(6)對(duì)大跨橋應(yīng)當(dāng)考慮非一致地震地面運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)是針對(duì)美國(guó)舊金山灣區(qū)大跨橋的,也明確要求考慮非一致地震地面運(yùn)動(dòng)。理論上,文獻(xiàn)所依據(jù)的方法是不可能提供非一致地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí)程歷史的;(7)文獻(xiàn)只對(duì)需要豎向地面運(yùn)動(dòng)時(shí)要求測(cè)縱波速度。即使退一步,只考慮行波效應(yīng),也需要體波的縱波(P)波速和橫波(S)波速,和面波的縱波波速和橫波波速。加之,對(duì)近場(chǎng)強(qiáng)震而言,地面運(yùn)動(dòng)時(shí)程還需要包含近場(chǎng)強(qiáng)震特有的大速度脈沖(fling)。文獻(xiàn)完全不提這些要求,而文獻(xiàn)不但規(guī)定了這些要求,而且給出了方法。顯然,文獻(xiàn)不但不適用于跨度達(dá)千米級(jí)的纜索支承橋梁等平面尺寸巨大的工程結(jié)構(gòu),不可能提供特大橋抗震設(shè)計(jì)所需的全部地震動(dòng)參數(shù),就是對(duì)于平面尺寸不大的工程結(jié)構(gòu)而言,所提供的地震動(dòng)參數(shù)也明顯落后于國(guó)際水準(zhǔn),質(zhì)量沒(méi)有保證。這導(dǎo)致各省地震局為國(guó)內(nèi)幾座懸索橋所做的地震危險(xiǎn)性分析或安全性評(píng)價(jià)所提供的地震動(dòng)參數(shù)都與為建筑物提供的地震動(dòng)參數(shù)相同(例如,見(jiàn)李焯芬等,1997)。可見(jiàn),按文獻(xiàn)所提供的地震動(dòng)參數(shù)不能提供橋梁足夠的抗震安全性。所以,文獻(xiàn)不能作為為我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì),特別是特大橋抗震設(shè)計(jì)提供地震動(dòng)參數(shù)的依據(jù)。為確保橋梁抗震設(shè)計(jì)的質(zhì)量,橋梁設(shè)計(jì)師有必要按上述內(nèi)容向有關(guān)部門明確地震動(dòng)參數(shù)的內(nèi)容,并逐項(xiàng)檢查有關(guān)部門提供的地震動(dòng)參數(shù)是否符合橋梁抗震設(shè)計(jì)的要求,包括檢查人工波的質(zhì)量。文獻(xiàn)的方法正是對(duì)文獻(xiàn)的多方面補(bǔ)充,適應(yīng)了我國(guó)特大橋抗震設(shè)計(jì)的需要,這個(gè)方法雖然已提出13年,但目前仍未被我國(guó)橋梁工程界所認(rèn)識(shí)。本文以世界最大跨斜拉橋——蘇通橋?yàn)槔?用世界上僅有的由公里尺度的密集臺(tái)陣——臺(tái)灣SMART-II臺(tái)陣——記錄的1999臺(tái)灣921集集地震近場(chǎng)強(qiáng)震時(shí)程歷史群,和由文獻(xiàn)的方法針對(duì)蘇通橋的地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的人工非一致地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí)程歷史群,分析特大跨斜拉橋?qū)Ψ且恢碌卣鸬孛孢\(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。1臺(tái)陣和記錄時(shí)間SMART-II密集臺(tái)陣在車籠埔斷層兩側(cè)(65×156)km2的范圍內(nèi)布置了51個(gè)強(qiáng)震臺(tái)站。臺(tái)站間最小距離不足2km,其所有強(qiáng)震儀及其后的濾波的帶寬,都足以給出10s以上的長(zhǎng)周期分量。集集地震震中(靠近車籠埔斷層,在其東側(cè))恰好在臺(tái)陣范圍內(nèi)。集集地震時(shí),SMART-II臺(tái)陣記錄到50組主震的強(qiáng)震三分量加速度時(shí)程歷史,其中質(zhì)量A級(jí)的記錄12組,質(zhì)量B級(jí)的30組。集集地震記錄的最大PGA達(dá)989.22gal(TCU084)。能用于非一致地震輸入的記錄必須有統(tǒng)一的時(shí)標(biāo),質(zhì)量A級(jí)的記錄都有GPS校時(shí)的統(tǒng)一時(shí)標(biāo);質(zhì)量B級(jí)的記錄雖然使用UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,但1999年時(shí)大多未配置GPS校時(shí),加之由于儀器老舊,各記錄的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)有一定誤差。可見(jiàn)完全符合質(zhì)量要求的強(qiáng)震臺(tái)陣投資巨大。本文根據(jù)光盤數(shù)據(jù)繪制的圖1示出了各臺(tái)站的位置和集集地震強(qiáng)震記錄的觸發(fā)時(shí)間。圖1中橫坐標(biāo)0點(diǎn)為經(jīng)度120?25.76?,縱坐標(biāo)0點(diǎn)為緯度23?17.78?,圖中TCU表示臺(tái)中,CHY表示嘉義,觸發(fā)時(shí)間0點(diǎn)為格林尼治時(shí)間(GMT)1999年9月20日17:44:29。除SMART-II密集臺(tái)陣外,遍布臺(tái)灣的TSMIP強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)還記錄到921集集地震的242組強(qiáng)震三分量加速度時(shí)程歷史。其記錄的質(zhì)量同上。為選擇蘇通橋的非一致地震輸入,間距小的A級(jí)臺(tái)站記錄太少,使得取材捉襟見(jiàn)肘。為兼顧斷層同側(cè)、跨越斷層、沿或垂直波傳播方向、沿或垂直斷層方向,以臺(tái)站間距基本不超過(guò)10km為準(zhǔn),選擇了斷層同側(cè)的臺(tái)站3對(duì)(No.1～No.3),跨越斷層的臺(tái)站1對(duì)(No.4),斷層同側(cè)的3臺(tái)站組合1組(No.5)跨越斷層的3臺(tái)站組合2組(No.6,No.7),見(jiàn)表1和圖1。表1中粗體臺(tái)站號(hào)給出A級(jí)記錄,其他為B級(jí)記錄。此表中豎向粗線表示車籠埔斷層,其左方對(duì)應(yīng)斷層西側(cè),右方對(duì)應(yīng)斷層?xùn)|側(cè)。本表所含的臺(tái)站記錄采樣率皆為:200Hz。這些組合共含A級(jí)記錄4組,B級(jí)記錄9組。最小臺(tái)站間距2.71km,最大間距13.65km,其余8個(gè)間距都在2.71km和9.06km之間?？梢?jiàn)不盡如人意,但這畢竟是由千米級(jí)尺度的臺(tái)站記錄到的強(qiáng)震真非一致地震地面運(yùn)動(dòng),與純粹人造非一致地震有本質(zhì)的區(qū)別。所用的13組記錄中除TCU84的場(chǎng)地土類不明外其他都屬于臺(tái)灣的3類場(chǎng)地——晚更新世以后的硬土,卓越周期為0.65″,比我國(guó)大陸地區(qū)III類場(chǎng)地卓越周期(0.45″)要長(zhǎng),接近大陸地區(qū)IV類場(chǎng)地(卓越周期0.70″)。水平PGA在132.08gal～989.22gal之間,豎向PGA在109.72gal～415.54gal之間。與震中最近的臺(tái)站(TCU79)震中距只有9.9m。集集地震的光盤數(shù)據(jù)中的加速度時(shí)程是未經(jīng)基線調(diào)整的,本文對(duì)其做了基線調(diào)整。2人工波的生成考慮在這兩個(gè)震源斷裂的情景,假定兩個(gè)震中各發(fā)生一次相當(dāng)于6.5和7級(jí)地震的能量釋放,從而產(chǎn)生兩次地震的各4組三分量人工加速度時(shí)程歷史,北岸三個(gè)橋墩1組,北、南塔各1組,南岸三個(gè)橋墩1組。三個(gè)橋墩的1組時(shí)程按中間的橋墩所在地生成地面運(yùn)動(dòng)人工波。南岸地震所產(chǎn)生的人工波在蘇州塔基礎(chǔ)的3分量反應(yīng)譜和時(shí)程曲線見(jiàn)圖2(b),圖2(c)。人工波周期含量可達(dá)20s。北岸7級(jí)地震發(fā)震產(chǎn)生的兩個(gè)橋塔基礎(chǔ)最大PGA=502.34cm/s2,南岸7級(jí)地震發(fā)震產(chǎn)生的兩個(gè)橋塔基礎(chǔ)最大PGA=530.60cm/s2。圖5反映出近場(chǎng)強(qiáng)震特有的大速度脈沖。產(chǎn)生非一致地震人工波的雜交法是一個(gè)全新領(lǐng)域,目前仍在發(fā)展中,有待完善。但在我國(guó),它當(dāng)屬前沿新技術(shù)。彌補(bǔ)了文獻(xiàn)的空白,值得進(jìn)一步發(fā)展、應(yīng)用。3來(lái)自蘇通長(zhǎng)江公路大橋的非晶態(tài)地震勘探分析3.1橋梁結(jié)構(gòu)及阻尼比蘇通長(zhǎng)江公路大橋(簡(jiǎn)稱蘇通橋)為雙塔雙索面扇系斜拉橋(圖3),跨徑布置為100m+100m+300m+1088m+300m+100m+100m=2088m。主跨1088m,是世界最大跨度的斜拉橋。采用扁平閉口鋼葙梁,截面全寬41.0m,高4.0m。頂板厚14mm～24mm,底板厚12mm～24mm,都焊有U肋。葙梁內(nèi)有縱隔板2道,并每4m設(shè)橫隔板一道。兩座鋼筋混凝土主塔為倒Y形,承臺(tái)以上高300.4m。塔柱為葙形截面?；A(chǔ)為鉆孔灌注樁群樁,承臺(tái)底面標(biāo)高?10.0m,地面線標(biāo)高?26.42m。所有輔助墩、過(guò)渡墩用滑動(dòng)摩擦支座與主梁相連。橋塔在豎向和橫橋向約束鋼葙梁,順橋向容許鋼葙梁滑動(dòng),但每座塔與鋼葙梁間沿順橋向有4個(gè)非線性阻尼器,這4個(gè)阻尼器的總阻尼系數(shù)C=15000kN(s/m)0.4,速度指數(shù)?=0.4。每個(gè)橋塔順橋向并配有額定行程?750mm的限位裝置,對(duì)每塔的設(shè)計(jì)限位力26.32MN、限位剛度400MN/m。每側(cè)邊跨有3個(gè)鋼筋混凝土橋墩(1個(gè)過(guò)渡墩、2個(gè)輔助墩),在豎向和橫橋向約束鋼葙梁,順橋向容許鋼葙梁滑動(dòng)。鋼筋混凝土塔墩的阻尼比大于懸掛系統(tǒng)(斜拉索、鋼葙梁)的阻尼比,兩座橋塔處又有集中阻尼裝置,因此,蘇通橋是具有典型非經(jīng)典阻尼的結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單地說(shuō)一個(gè)總阻尼比意義不大。蘇通橋橋位場(chǎng)地土類非常軟,文獻(xiàn)給出其橋塔基礎(chǔ)下反應(yīng)譜卓越周期為1.1s,引橋橋墩基礎(chǔ)下反應(yīng)譜卓越周期為1.0s,比文獻(xiàn)規(guī)定的IV類場(chǎng)地還軟。塔墩基礎(chǔ)皆為鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ),每座橋塔下有128根?2500mm～2800mm長(zhǎng)117m的混凝土樁,每個(gè)橋墩下有72根?2500mm～2800mm長(zhǎng)101m的混凝土樁。3.2骨-骨-板-塔墩模型蘇通橋全橋分析模型是三維模型,按下述原則建立:橋塔、橋墩皆用三維梁柱單元組成剛架;鋼葙梁用單脊魚骨模型,脊骨用三維梁柱單元表示,肋骨為剛桿,斜拉索用三維桿單元表示,并以Ernst切線模量考慮垂度影響;阻尼器提供的阻尼力為FD=Cv?,式中v為阻尼器兩端相對(duì)速度,C和?見(jiàn)上節(jié);塔墩固定于承臺(tái),每個(gè)橋塔支承在131根樁上,每個(gè)橋墩支承在36根樁上。樁在承臺(tái)下19m～21m為固定端。3.3時(shí)程積分法的應(yīng)用非一致地震地面運(yùn)動(dòng)輸入有兩大類:一是實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)記錄,是表1的7組臺(tái)灣集集地震SMART-II臺(tái)陣地面加速度時(shí)程記錄,含兩個(gè)臺(tái)站的記錄每個(gè)同時(shí)加給蘇通橋一端的橋塔和3個(gè)橋墩,含3個(gè)臺(tái)站的記錄則根據(jù)臺(tái)站的距離,相近的一對(duì)記錄分別加給蘇通橋北端的橋塔和3個(gè)橋墩(3個(gè)橋墩同時(shí)),剩下的一個(gè)臺(tái)站記錄同時(shí)加給南端的橋塔和3個(gè)橋墩。每個(gè)臺(tái)站記錄都含3分量加速度時(shí)程歷史。每個(gè)臺(tái)站加速度時(shí)程歷史的起始時(shí)間都考慮了記錄的實(shí)際觸發(fā)時(shí)間的時(shí)間差。集集地震記錄的臺(tái)陣所在的場(chǎng)地比蘇通橋的場(chǎng)地硬些,但集集地震記錄的PGA比蘇通橋橋位的大。一是用雜交法產(chǎn)生的2組每組含4個(gè)塔墩基礎(chǔ)的3分量人工波群。另一個(gè)是雜交法為蘇通橋產(chǎn)生的人工非一致地震地面運(yùn)動(dòng),每個(gè)基礎(chǔ)都是3分量。本文還用省院為蘇通橋提供的重現(xiàn)期500和2000年的一致地震人工波做了反應(yīng)分析,由于省院(以下簡(jiǎn)稱省院)提供的時(shí)程歷史中,每組只含1個(gè)水平分量,所以每個(gè)基礎(chǔ)的地面運(yùn)動(dòng)輸入都只有2分量,分別為順橋向+豎向,和橫橋向+豎向。全部分析使用時(shí)程積分法,分析工作用ANSYS9.0進(jìn)行,非一致地面運(yùn)動(dòng)輸入依靠其CMACEL指令。時(shí)程分析時(shí)每個(gè)基礎(chǔ)的地震輸入都是3分量(順橋向、橫橋向、豎向)同時(shí)輸入(除蘇省院為蘇通橋提供一致地震人工波外),時(shí)程分析時(shí)恒載一直作用在在橋上。4蘇通橋的地震反應(yīng)本文計(jì)算了蘇通橋?qū)?組取自集集地震的非一致地震地面運(yùn)動(dòng)的反應(yīng);在每組集集非一致地震地面運(yùn)動(dòng)中再取水平分量PGA最大的一組3分量地震做為一致地面運(yùn)動(dòng)輸入,共計(jì)算7組集集一致地震地面運(yùn)動(dòng)的反應(yīng);又計(jì)算了蘇通橋?qū)?組雜交法產(chǎn)生的人工非一致地震地面運(yùn)動(dòng)的反應(yīng);在每組雜交法人工非一致地震地面運(yùn)動(dòng)中再取水平分量PGA最大的一組3分量地震做為雜交法一致地震地面運(yùn)動(dòng)輸入,共計(jì)算2組雜交法一致地震地面運(yùn)動(dòng)的反應(yīng);本文還用省院為蘇通橋提供的重現(xiàn)期500年3組和2000年3組的一致地震人工波(由于省院每組地震波的水平分量只給了1條,所以將這一條水平分量分別沿順橋向和橫橋向作用)計(jì)算了6組省院一致地震地面運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。共計(jì)算了6組共7+7+2+2+6+6=30個(gè)地震的3維反應(yīng)。計(jì)算的蘇通橋的反應(yīng)包括加勁梁豎向和橋塔順橋向彎矩反應(yīng)、加勁梁和橋塔橫橋向彎矩反應(yīng)、加勁梁豎向和橋塔順橋向位移反應(yīng)、和加勁梁和橋塔橫橋向位移反應(yīng)的最大最小包絡(luò)。將這些包絡(luò)再取最大最小包絡(luò),作為蘇通橋?qū)γ總€(gè)地震反應(yīng)的最大最小包絡(luò)。蘇通橋在上述地震作用下,非一致與一致地震作用下位移和內(nèi)力反應(yīng)最大值的對(duì)比見(jiàn)表2,加勁梁豎向和南通塔順橋向彎矩最大最小包絡(luò)的對(duì)比見(jiàn)圖4(a)～圖4(c),加勁梁和南通塔橫橋向彎矩最大最小包絡(luò)的對(duì)比見(jiàn)圖5(a)～圖5(c),加勁梁豎向和南通塔順橋向位移最大最小包絡(luò)的對(duì)比見(jiàn)圖6(a)～圖6(c),加勁梁和南通塔橫橋向位移最大最小包絡(luò)的對(duì)比見(jiàn)圖7(a)～圖7(c),一個(gè)非線性阻尼器的最大軸向變位和最大限位力見(jiàn)表3。因篇幅所限,本文未給出蘇州塔的結(jié)果圖。非一致地震作用下,結(jié)構(gòu)對(duì)稱的蘇通橋的反應(yīng)明顯不對(duì)稱,這是由于不同塔墩基礎(chǔ)的地震輸入不同造成的。由表2可見(jiàn),盡管本文在每組非一致地震地面運(yùn)動(dòng)中選擇有最大水平PGA的3分量組成一致地面運(yùn)動(dòng),但仍有較多的機(jī)會(huì)出現(xiàn)非一致反應(yīng)大于一致反應(yīng):上述非一致地震作用下,主梁絕大多數(shù)橫橋向和豎向位移比一致反應(yīng)大;橋塔多數(shù)非一致順橋向位移比一致反應(yīng)大;主梁半數(shù)非一致橫橋向和豎向彎矩比一致反應(yīng)大;橋塔少數(shù)非一致橫彎軸力比一致反應(yīng)大(由于蘇通橋橋塔為倒Y形結(jié)構(gòu),橫向彎矩主要由人字形塔腿的軸力承受,所以用塔腿橫彎軸力代表橫向彎矩)。在集集地震反應(yīng)中,臺(tái)站連線(即順橋向)與斷層走向間是平行(No.3)還是垂直(No.1)、臺(tái)站連線跨越斷層(No.4)與不跨越斷層(No.1,No.2,No.3)對(duì)非一致地震反應(yīng)比一致地震反應(yīng)的大小沒(méi)有明顯影響,臺(tái)站連線與波傳播方向平行(No.1,No.2,No.4,No.6)或者連線垂直于斷層(No.1,No.7)時(shí)均有較大可能使非一致地震反應(yīng)比一致地震反應(yīng)大,但使用3個(gè)臺(tái)站記錄做地震輸入時(shí)(No.5,No.6,No.7)都導(dǎo)致非一致地震反應(yīng)比一致地震反應(yīng)大。不同的非一致地面運(yùn)動(dòng)時(shí)程歷史(含地震記錄觸發(fā)開始時(shí)間)可能導(dǎo)致不同的對(duì)比結(jié)果。這表明,對(duì)蘇通橋這樣的特大橋,抗震設(shè)計(jì)時(shí)有必要考慮非一致地震地面運(yùn)動(dòng)。對(duì)阻尼器的計(jì)算結(jié)果表明,上述9組非一致輸入下阻尼器的軸力與一致反應(yīng)相差不大,但有6組非一致下的阻尼器位移比相應(yīng)的一致地震反應(yīng)大。這也表明同類特大橋阻尼器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮非一致地震的作用。由表3可見(jiàn),蘇通橋的阻尼器的抗震能力有很大安全余度,可以在9.3度烈度的地震作用下安全地工作,而在10.2度烈度地震作用下,阻尼器軸向位移會(huì)達(dá)到2倍～3倍的限值,但軸力并無(wú)明顯增加。這反映了非線性阻尼器適應(yīng)能力強(qiáng)。本工作未將上述集集地震記錄和雜交法人工波調(diào)整到與重現(xiàn)期500年和2000年對(duì)應(yīng),所以對(duì)它們的反應(yīng)不能與設(shè)計(jì)地震要求對(duì)比。本文主要討論非一致地震反應(yīng)與一致地震反應(yīng)間的對(duì)比。5加速度波的檢測(cè)省院為蘇通橋提供了不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜和相應(yīng)的一致地震人工波。本文對(duì)其中重現(xiàn)期為500年和2000年、阻尼比5%的水平和豎向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜,和重現(xiàn)期為500年和2000年的人工加速度波各3條(見(jiàn)圖8)做了檢驗(yàn),檢驗(yàn)內(nèi)容為:(a)人工加速度波的反應(yīng)譜與相應(yīng)的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜(作為人工波的目標(biāo)譜)的對(duì)比;(b)人工波的加速度波、速度波和位移波互相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)。這些波的持續(xù)時(shí)間都符合文獻(xiàn)的要求。5.1不同周期段的人工波譜值不合格文獻(xiàn)要求加速度人工波的加速度5%阻尼比反應(yīng)譜在150個(gè)周期點(diǎn)上與目標(biāo)譜的相對(duì)誤差在-5%～+10%的范圍內(nèi)。按此要求檢查上述人工波的結(jié)果見(jiàn)圖9和圖10。由圖可見(jiàn)這4組12條人工波均不合格。500年重現(xiàn)期的水平人工波在2.3s以下的周期段譜值過(guò)大,2.3s以上周期段譜值偏小,500年重現(xiàn)期的豎向人工波在0.6s以下的周期段譜值過(guò)大,0.6s以上周期段譜值偏小;2000年重現(xiàn)期的水平人工波在2.3s以下的周期段譜值過(guò)大,2.3s以上周期段譜值偏小,2000年重現(xiàn)期的豎向人工波在0.4s以下的周期段譜值過(guò)大,0.6s以上周期段譜值偏小。按這些人工波做的大橋抗震設(shè)計(jì),在譜值過(guò)大的周期段過(guò)于保守,在譜值過(guò)小的周期點(diǎn)不夠安全。這個(gè)情況表明大橋設(shè)計(jì)部門有必要檢查所要使用的人工波的質(zhì)量。5.2加速度波的相關(guān)性檢查當(dāng)僅用3組輸入計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時(shí),如果它們高度相關(guān),則實(shí)際上只算了一組輸入,顯然用這樣的結(jié)果做的抗震設(shè)計(jì)是不安全的。因此,為保證地面運(yùn)動(dòng)輸入的高質(zhì)量,必須檢查輸入的時(shí)程歷史的相關(guān)性。當(dāng)進(jìn)行非一致地震反應(yīng)分析時(shí),不僅要檢查輸入加速度波的相關(guān)性,而且要檢查輸入的速度波和位移波的相關(guān)性。文獻(xiàn)要求加速度波的互相關(guān)系數(shù)的模不得超過(guò)0.1,速度波的互相關(guān)系數(shù)的模不得超過(guò)0.2,位移波的互相關(guān)系數(shù)的模不得超過(guò)0.3。按此要求檢查省院的人工波,結(jié)果見(jiàn)圖11和圖12。圖中水平直線表示文獻(xiàn)對(duì)互相關(guān)系數(shù)的要求限值。由圖可見(jiàn),省院提供的500年重現(xiàn)期的水平加速度人工波2、3對(duì)應(yīng)的位移波,豎向人工波4對(duì)應(yīng)的位移波不滿足要求,2000年重現(xiàn)期的位移人工波7、9對(duì)應(yīng)的位移波,豎向人工波11、12對(duì)應(yīng)的位移波不滿足要求。5.3人工波的生成程序傳統(tǒng)上,地震地面運(yùn)動(dòng)輸入有兩種:實(shí)際強(qiáng)震記錄,和完全由反應(yīng)譜通過(guò)頻域調(diào)整產(chǎn)生的人工波。前者難以全面符合實(shí)際工程場(chǎng)地的地震特性,后者不能產(chǎn)生真非平穩(wěn)人工波。為改進(jìn)其缺點(diǎn),國(guó)際上發(fā)展出第三種方法:由強(qiáng)震記錄經(jīng)時(shí)域調(diào)整產(chǎn)生人工波,即保存了實(shí)際記錄的非平穩(wěn)性,又與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜一致,從而補(bǔ)充了前兩者的不足。作者用時(shí)域調(diào)整法開發(fā)了這種人工波產(chǎn)生程序,用之由ElCentro,1940EW方向加速度時(shí)程(圖13(a)),以江蘇省地震局給出的500年重現(xiàn)期水平加速度5%阻尼比反應(yīng)譜為目標(biāo)譜,經(jīng)時(shí)域調(diào)整產(chǎn)生了蘇通橋主塔基礎(chǔ)點(diǎn)的加速度人工波(圖13(b))。計(jì)算此人工波在150個(gè)周期點(diǎn)的5%阻尼比反應(yīng)譜,發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的人工波的反應(yīng)譜可無(wú)限逼近目標(biāo)譜,見(jiàn)圖14。由圖13的兩條曲線看,它們十分相似。這表明本文的人工波產(chǎn)生程序不僅能使所產(chǎn)生的人工波的反應(yīng)譜無(wú)限逼近目標(biāo)譜