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）地震地面運動，而不是共同的（所有相位的）地震地面運動。非一致地震地面運動還被稱為多點激勵(multi-supportexcitations)和空間變異(spatiallyvarying)地震地面運動。與一致地震地面運動不同,非一致地震地面運動包含以下四個因素:大河或海灣兩岸不同塔墩基礎(chǔ)的場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(震源)至塔墩基礎(chǔ)傳播時不規(guī)則折射、反射引起的不同塔墩基礎(chǔ)地面運動的失相干(decoherence)效應(yīng)、地震波以有限速度傳播的波傳播(時滯)效應(yīng);和地震波在傳播過程中的衰減效應(yīng)。對千米尺度的特大橋而言,第四項效應(yīng)最弱,所以主要應(yīng)當(dāng)考慮前三項。而目前還沒有證據(jù)說這三項中哪個效應(yīng)影響最大。這三項效應(yīng)對特大橋地震反應(yīng)有兩方面的影響:不同步的動荷載(一致地震只產(chǎn)生同步動荷載),和基礎(chǔ)相對位移對靜不定橋梁結(jié)構(gòu)的偽靜力效應(yīng)。前者往往降低橋梁的動力反應(yīng),而后者則是一致地震地面運動所沒有,是非一致地震地面運動另外加給特大橋的。實際特大橋的非一致地震反應(yīng)是這兩部分的組合,很難說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,過去不同的研究結(jié)果給出了不同結(jié)論。因此,對一座橋而言,選擇高質(zhì)量的非一致地震地面運動做為輸入十分重要。非一致地震地面運動的輸入分兩類:實際非一致地震地面運動時程記錄群,和人工產(chǎn)生的時程歷史群。前者除需要在相同的強震震級、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地土類之外,還需要間距為千米尺度的強震臺站陣列(密集臺陣)記錄。同時滿足這些要求的記錄幾乎沒有,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際非一致地震地面運動記錄群。最簡單的非一致地震地面運動輸入是行波模型,假定一定范圍的行波速度,用一個點的地面運動以時間差的方式加到不同塔墩基礎(chǔ)。這個方法不能考慮其他兩個效應(yīng),顯然給不出橋梁對非一致地震的反應(yīng)的可靠結(jié)果。人工產(chǎn)生的時程歷史對非一致地震而言又有兩類方法:基于隨機振動的方法,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)模三維動力有限元分析的方法。最有代表性的基于隨機振動產(chǎn)生非一致地震地面運動的方法是:假定非一致地震地面運動的相干函數(shù)是由反映場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,然后用隨機三角級數(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)可以用一般方法實測,但反映失相干性的相干函數(shù)的系數(shù)卻只能靠臺站間距達(dá)千米級的密集臺陣實測,這樣的臺陣捕捉到強震的可能性微乎其微。該文作者根據(jù)當(dāng)時世界上僅有非一致地震地面運動的密集臺陣記錄——臺灣SMART-I臺陣的強震記錄確定了這個系數(shù),顯然這樣確定的系數(shù)只反映臺灣SMART-I臺陣當(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)計資料假定各種可能的斷裂位置和斷裂長度,求解斷裂引起的地震波傳播的折射和反射過程,從而得到各個塔墩基礎(chǔ)的非一致地震地面運動時程歷史群。這種計算由于自由度太多,一般用并行機計算。“振型疊加-有限差分雜交法(hybridmethodofmodesuperpositionandfinitedifference)”(簡稱雜交法)屬于這種方法。不同動力特性的結(jié)構(gòu)對不同的地震動參數(shù)敏感,特大橋的動力特性明顯有別于一般房屋,所敏感的地震動參數(shù)也不同(如非一致地震地面運動,反應(yīng)譜長周期分量等),所以不能只用針對房屋建筑的地震動參數(shù),做特大橋的抗震設(shè)計。與具有母體平均性質(zhì)的反應(yīng)譜相比,時程歷史波相當(dāng)于MonteCarlo模擬,一條時程歷史只是隨機過程母體的一個實現(xiàn),特大橋時程分析耗時太大,不可能分析成百上千組時程歷史的反應(yīng),然后統(tǒng)計。當(dāng)只用3、5或10組波時,必須保證所選波的高質(zhì)量。應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是:我國現(xiàn)行‘工程場地地震安全性評價技術(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)對所提供的場地地震動參數(shù)只提‘場地地表與工程建設(shè)所要求深度的地震動……場地地震相關(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,這個周期段的反應(yīng)譜值對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)沒有考慮特大跨結(jié)構(gòu)的抗震需求。(2)只提相互獨立的時程歷史,‘相互獨立’只是個含糊的說法,不具可操作性。因為任何一對人工波的相關(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,此時的基本運動方程的地面運動輸入包括地面速度和位移時程歷史,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0.1,速度人工波間相關(guān)系數(shù)不得超過0.2,位移人工波間相關(guān)系數(shù)不得超過0.3。文獻(xiàn)不提對它們互相關(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)對人工波只明確提出了‘反應(yīng)譜的周期控制點數(shù)不得少于50個,控制點譜的相對誤差應(yīng)小于5%’,并不規(guī)定怎樣取這50個點。文獻(xiàn)則要求提供的地面運動人工波在規(guī)定的75+75個周期點上譜的相對誤差應(yīng)在?5%～+10%。以上3點對保證人工波的質(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)定地震安全性評價給出的地震動參數(shù)為‘地震引起地面運動的物理參數(shù),包括加速度、反應(yīng)譜等’,沒有明確提供地震動時程。在確定場地地震動參數(shù)過程中只提‘(II、III級工程)應(yīng)對一組(至少三個)輸入時程分析結(jié)果予以綜合評定’。大跨橋需要空間分析模型,因此需要同時輸入地震地面運動時程歷史的三方向分量,即使是一致地震地面運動,一個點就是三條時程歷史,三組輸入就是9條時程歷史。對非一致地震地面運動而言,一組四個塔墩基礎(chǔ)的時程歷史就是12條,三組就是36條。至于‘三個以上的地震動時程’的要求,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)橋梁抗震的需要:即使對跨度不超過150m的橋,美國AASHTOLRFD,2002設(shè)計規(guī)范2版規(guī)定,也需要5組譜一致的時程歷史,取最大反應(yīng);EUROCODE8,1996版要求甚至10組時程歷史,取平均反應(yīng)。(5)實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動都是真非平穩(wěn)過程,即其頻譜每秒都在變化。但文獻(xiàn)完全不提地震動時程的頻率非平穩(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)的時程歷史只不過是偽非平穩(wěn)的,因此不能保證人工波的必要質(zhì)量。(6)對大跨橋應(yīng)當(dāng)考慮非一致地震地面運動。文獻(xiàn)是針對美國舊金山灣區(qū)大跨橋的,也明確要求考慮非一致地震地面運動。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動時程歷史的;(7)文獻(xiàn)只對需要豎向地面運動時要求測縱波速度。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,對近場強震而言,地面運動時程還需要包含近場強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)計所需的全部地震動參數(shù),就是對于平面尺寸不大的工程結(jié)構(gòu)而言,所提供的地震動參數(shù)也明顯落后于國際水準(zhǔn),質(zhì)量沒有保證。這導(dǎo)致各省地震局為國內(nèi)幾座懸索橋所做的地震危險性分析或安全性評價所提供的地震動參數(shù)都與為建筑物提供的地震動參數(shù)相同(例如,見李焯芬等,1997)?？梢?按文獻(xiàn)所提供的地震動參數(shù)不能提供橋梁足夠的抗震安全性。所以,文獻(xiàn)不能作為為我國橋梁抗震設(shè)計,特別是特大橋抗震設(shè)計提供地震動參數(shù)的依據(jù)。為確保橋梁抗震設(shè)計的質(zhì)量,橋梁設(shè)計師有必要按上述內(nèi)容向有關(guān)部門明確地震動參數(shù)的內(nèi)容,并逐項檢查有關(guān)部門提供的地震動參數(shù)是否符合橋梁抗震設(shè)計的要求,包括檢查人工波的質(zhì)量。文獻(xiàn)的方法正是對文獻(xiàn)的多方面補充,適應(yīng)了我國特大橋抗震設(shè)計的需要,這個方法雖然已提出13年,但目前仍未被我國橋梁工程界所認(rèn)識。本文以世界最大跨斜拉橋——蘇通橋為例,用世界上僅有的由公里尺度的密集臺陣——臺灣SMART-II臺陣——記錄的1999臺灣921集集地震近場強震時程歷史群,和由文獻(xiàn)的方法針對蘇通橋的地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的人工非一致地震地面運動時程歷史群,分析特大跨斜拉橋?qū)Ψ且恢碌卣鸬孛孢\動的反應(yīng)。1臺陣和記錄時間SMART-II密集臺陣在車籠埔斷層兩側(cè)(65×156)km2的范圍內(nèi)布置了51個強震臺站。臺站間最小距離不足2km,其所有強震儀及其后的濾波的帶寬,都足以給出10s以上的長周期分量。集集地震震中(靠近車籠埔斷層,在其東側(cè))恰好在臺陣范圍內(nèi)。集集地震時,SMART-II臺陣記錄到50組主震的強震三分量加速度時程歷史,其中質(zhì)量A級的記錄12組,質(zhì)量B級的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)一的時標(biāo),質(zhì)量A級的記錄都有GPS校時的統(tǒng)一時標(biāo);質(zhì)量B級的記錄雖然使用UTC標(biāo)準(zhǔn)時間,但1999年時大多未配置GPS校時,加之由于儀器老舊,各記錄的時間與標(biāo)準(zhǔn)時有一定誤差。可見完全符合質(zhì)量要求的強震臺陣投資巨大。本文根據(jù)光盤數(shù)據(jù)繪制的圖1示出了各臺站的位置和集集地震強震記錄的觸發(fā)時間。圖1中橫坐標(biāo)0點為經(jīng)度120?25.76?,縱坐標(biāo)0點為緯度23?17.78?,圖中TCU表示臺中,CHY表示嘉義,觸發(fā)時間0點為格林尼治時間(GMT)1999年9月20日17:44:29。除SMART-II密集臺陣外,遍布臺灣的TSMIP強震臺網(wǎng)還記錄到921集集地震的242組強震三分量加速度時程歷史。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級臺站記錄太少,使得取材捉襟見肘。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,以臺站間距基本不超過10km為準(zhǔn),選擇了斷層同側(cè)的臺站3對(No.1～No.3),跨越斷層的臺站1對(No.4),斷層同側(cè)的3臺站組合1組(No.5)跨越斷層的3臺站組合2組(No.6,No.7),見表1和圖1。表1中粗體臺站號給出A級記錄,其他為B級記錄。此表中豎向粗線表示車籠埔斷層,其左方對應(yīng)斷層西側(cè),右方對應(yīng)斷層?xùn)|側(cè)。本表所含的臺站記錄采樣率皆為:200Hz。這些組合共含A級記錄4組,B級記錄9組。最小臺站間距2.71km,最大間距13.65km,其余8個間距都在2.71km和9.06km之間。可見不盡如人意,但這畢竟是由千米級尺度的臺站記錄到的強震真非一致地震地面運動,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的場地土類不明外其他都屬于臺灣的3類場地——晚更新世以后的硬土,卓越周期為0.65″,比我國大陸地區(qū)III類場地卓越周期(0.45″)要長,接近大陸地區(qū)IV類場地(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)中的加速度時程是未經(jīng)基線調(diào)整的,本文對其做了基線調(diào)整。2人工波的生成考慮在這兩個震源斷裂的情景,假定兩個震中各發(fā)生一次相當(dāng)于6.5和7級地震的能量釋放,從而產(chǎn)生兩次地震的各4組三分量人工加速度時程歷史,北岸三個橋墩1組,北、南塔各1組,南岸三個橋墩1組。三個橋墩的1組時程按中間的橋墩所在地生成地面運動人工波。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)譜和時程曲線見圖2(b),圖2(c)。人工波周期含量可達(dá)20s。北岸7級地震發(fā)震產(chǎn)生的兩個橋塔基礎(chǔ)最大PGA=502.34cm/s2,南岸7級地震發(fā)震產(chǎn)生的兩個橋塔基礎(chǔ)最大PGA=530.60cm/s2。圖5反映出近場強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全新領(lǐng)域,目前仍在發(fā)展中,有待完善。但在我國,它當(dāng)屬前沿新技術(shù)。彌補了文獻(xiàn)的空白,值得進(jìn)一步發(fā)展、應(yīng)用。3來自蘇通長江公路大橋的非晶態(tài)地震勘探分析3.1橋梁結(jié)構(gòu)及阻尼比蘇通長江公路大橋(簡稱蘇通橋)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,承臺以上高300.4m。塔柱為葙形截面。基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁群樁,承臺底面標(biāo)高?10.0m,地面線標(biāo)高?26.42m。所有輔助墩、過渡墩用滑動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,但每座塔與鋼葙梁間沿順橋向有4個非線性阻尼器,這4個阻尼器的總阻尼系數(shù)C=15000kN(s/m)0.4,速度指數(shù)?=0.4。每個橋塔順橋向并配有額定行程?750mm的限位裝置,對每塔的設(shè)計限位力26.32MN、限位剛度400MN/m。每側(cè)邊跨有3個鋼筋混凝土橋墩(1個過渡墩、2個輔助墩),在豎向和橫橋向約束鋼葙梁,順橋向容許鋼葙梁滑動。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)。對于這種結(jié)構(gòu)簡單地說一個總阻尼比意義不大。蘇通橋橋位場地土類非常軟,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117m的混凝土樁,每個橋墩下有72根?2500mm～2800mm長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為阻尼器兩端相對速度,C和?見上節(jié);塔墩固定于承臺,每個橋塔支承在131根樁上,每個橋墩支承在36根樁上。樁在承臺下19m～21m為固定端。3.3時程積分法的應(yīng)用非一致地震地面運動輸入有兩大類:一是實際地面運動記錄,是表1的7組臺灣集集地震SMART-II臺陣地面加速度時程記錄,含兩個臺站的記錄每個同時加給蘇通橋一端的橋塔和3個橋墩,含3個臺站的記錄則根據(jù)臺站的距離,相近的一對記錄分別加給蘇通橋北端的橋塔和3個橋墩(3個橋墩同時),剩下的一個臺站記錄同時加給南端的橋塔和3個橋墩。每個臺站記錄都含3分量加速度時程歷史。每個臺站加速度時程歷史的起始時間都考慮了記錄的實際觸發(fā)時間的時間差。集集地震記錄的臺陣所在的場地比蘇通橋的場地硬些,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個塔墩基礎(chǔ)的3分量人工波群。另一個是雜交法為蘇通橋產(chǎn)生的人工非一致地震地面運動,每個基礎(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(以下簡稱省院)提供的時程歷史中,每組只含1個水平分量,所以每個基礎(chǔ)的地面運動輸入都只有2分量,分別為順橋向+豎向,和橫橋向+豎向。全部分析使用時程積分法,分析工作用ANSYS9.0進(jìn)行,非一致地面運動輸入依靠其CMACEL指令。時程分析時每個基礎(chǔ)的地震輸入都是3分量(順橋向、橫橋向、豎向)同時輸入(除蘇省院為蘇通橋提供一致地震人工波外),時程分析時恒載一直作用在在橋上。4蘇通橋的地震反應(yīng)本文計算了蘇通橋?qū)?組取自集集地震的非一致地震地面運動的反應(yīng);在每組集集非一致地震地面運動中再取水平分量PGA最大的一組3分量地震做為一致地面運動輸入,共計算7組集集一致地震地面運動的反應(yīng);又計算了蘇通橋?qū)?組雜交法產(chǎn)生的人工非一致地震地面運動的反應(yīng);在每組雜交法人工非一致地震地面運動中再取水平分量PGA最大的一組3分量地震做為雜交法一致地震地面運動輸入,共計算2組雜交法一致地震地面運動的反應(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)計算了6組省院一致地震地面運動的反應(yīng)。共計算了6組共7+7+2+2+6+6=30個地震的3維反應(yīng)。計算的蘇通橋的反應(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€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)最大值的對比見表2,加勁梁豎向和南通塔順橋向彎矩最大最小包絡(luò)的對比見圖4(a)～圖4(c),加勁梁和南通塔橫橋向彎矩最大最小包絡(luò)的對比見圖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)的對比見圖6(a)～圖6(c),加勁梁和南通塔橫橋向位移最大最小包絡(luò)的對比見圖7(a)～圖7(c),一個非線性阻尼器的最大軸向變位和最大限位力見表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)對稱的蘇通橋的反應(yīng)明顯不對稱,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,盡管本文在每組非一致地震地面運動中選擇有最大水平PGA的3分量組成一致地面運動,但仍有較多的機會出現(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)、臺站連線跨越斷層(No.4)與不跨越斷層(No.1,No.2,No.3)對非一致地震反應(yīng)比一致地震反應(yīng)的大小沒有明顯影響,臺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個臺站記錄做地震輸入時(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動時程歷史(含地震記錄觸發(fā)開始時間)可能導(dǎo)致不同的對比結(jié)果。這表明,對蘇通橋這樣的特大橋,抗震設(shè)計時有必要考慮非一致地震地面運動。對阻尼器的計算結(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)計應(yīng)當(dāng)考慮非一致地震的作用。由表3可見,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,阻尼器軸向位移會達(dá)到2倍～3倍的限值,但軸力并無明顯增加。這反映了非線性阻尼器適應(yīng)能力強。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年對應(yīng),所以對它們的反應(yīng)不能與設(shè)計地震要求對比。本文主要討論非一致地震反應(yīng)與一致地震反應(yīng)間的對比。5加速度波的檢測省院為蘇通橋提供了不同重現(xiàn)期的設(shè)計加速度反應(yīng)譜和相應(yīng)的一致地震人工波。本文對其中重現(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(見圖8)做了檢驗,檢驗內(nèi)容為:(a)人工加速度波的反應(yīng)譜與相應(yīng)的設(shè)計加速度反應(yīng)譜(作為人工波的目標(biāo)譜)的對比;(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。這些波的持續(xù)時間都符合文獻(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個周期點上與目標(biāo)譜的相對誤差在-5%～+10%的范圍內(nèi)。按此要求檢查上述人工波的結(jié)果見圖9和圖10。由圖可見這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,在譜值過大的周期段過于保守,在譜值過小的周期點不夠安全。這個情況表明大橋設(shè)計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組輸入計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時,如果它們高度相關(guān),則實際上只算了一組輸入,顯然用這樣的結(jié)果做的抗震設(shè)計是不安全的。因此,為保證地面運動輸入的高質(zhì)量,必須檢查輸入的時程歷史的相關(guān)性。當(dāng)進(jìn)行非一致地震反應(yīng)分析時,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0.1,速度波的互相關(guān)系數(shù)的模不得超過0.2,位移波的互相關(guān)系數(shù)的模不得超過0.3。按此要求檢查省院的人工波,結(jié)果見圖11和圖12。圖中水平直線表示文獻(xiàn)對互相關(guān)系數(shù)的要求限值。由圖可見,省院提供的500年重現(xiàn)期的水平加速度人工波2、3對應(yīng)的位移波,豎向人工波4對應(yīng)的位移波不滿足要求,2000年重現(xiàn)期的位移人工波7、9對應(yīng)的位移波,豎向人工波11、12對應(yīng)的位移波不滿足要求。5.3人工波的生成程序傳統(tǒng)上,地震地面運動輸入有兩種:實際強震記錄,和完全由反應(yīng)譜通過頻域調(diào)整產(chǎn)生的人工波。前者難以全面符合實際工程場地的地震特性,后者不能產(chǎn)生真非平穩(wěn)人工波。為改進(jìn)其缺點,國際上發(fā)展出第三種方法:由強震記錄經(jīng)時域調(diào)整產(chǎn)生人工波,即保存了實際記錄的非平穩(wěn)性,又與設(shè)計反應(yīng)譜一致,從而補充了前兩者的不足。作者用時域調(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)時域調(diào)整產(chǎn)生了蘇通橋主塔基礎(chǔ)點的加速度人工波(圖13(b))。計算此人工波在150個周期點的5%阻尼比反應(yīng)譜,發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的人工波的反應(yīng)譜可無限逼近目標(biāo)譜,見圖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)譜無限逼近目標(biāo)譜