近場地震對深水橋墩地震響應(yīng)的影響分析

近場地震對深水橋墩地震響應(yīng)的影響分析

1近場地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的特殊響應(yīng)及災(zāi)后分析近年來，近場地震對建筑結(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)近場地震均具有較大的PGV/PGA值及明顯的速度脈沖,對建筑結(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)計規(guī)范》(GBJ111-87)規(guī)定:“梁式橋跨結(jié)構(gòu)的實體橋墩,在常水位以下部分,水深超過5m時,應(yīng)計入地震動水壓力對橋墩的作用?！痹跇蛄航Y(jié)構(gòu)的動力分析領(lǐng)域,近年來王君杰教授等曾研究了橋墩地震響應(yīng)的水動力學(xué)效應(yīng)。本文利用動水附加質(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地震作用下深水橋墩的特殊地震響應(yīng)。2分析2.1近場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條近場地震記錄,圖1(a)～(f)列出了6條地震波的速度時程曲線。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,所選用的近場地震記錄主要參數(shù)如表1所示。從以上地震波的速度時程曲線可以看出,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較小,但也有明顯的脈沖現(xiàn)象。2.2動水附加質(zhì)量采用有限元方法計算地震動水壓力,計算模型如圖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)采用三維彈性梁單元進(jìn)行離散,上部結(jié)構(gòu)簡化為集中質(zhì)量單元。本文主要采用Morison方程方法來分析地震動水壓力對深水橋墩的影響。Morison方程方法是指以Morison方程為基礎(chǔ),把水等效為附加質(zhì)量來考慮水對結(jié)構(gòu)的影響,再采用有限元方法計算橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。該方法忽略了結(jié)構(gòu)對水運動的影響,認(rèn)為水對結(jié)構(gòu)的作用主要分別由未受擾動的加速度場和速度場引起的沿水運動方向作用于結(jié)構(gòu)上的慣性力和阻力。對于圓截面柱體橫橋向小尺寸結(jié)構(gòu),地震動引起的動水壓力計算公式為: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˙為水的絕對加速度和絕對速度;¨xx¨、˙xx˙為結(jié)構(gòu)的相對加速度和相對速度;¨xgx¨g為地面運動加速度;CM為動水慣性力系數(shù);CD為動水粘性阻尼系數(shù)。假設(shè)橋梁處于靜水當(dāng)中,即u¨=˙u=0u¨=u˙=0時,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,動水阻力引起的橋墩結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)變化率很小,為簡化計算,本文忽略了動水阻力的影響,則整個水-結(jié)構(gòu)相互作用體系在地震作用下的動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《海水固定平臺建造規(guī)范》規(guī)定:對于圓柱體結(jié)構(gòu)CM=2.0,本文計算時,動水慣性力系數(shù)CM的取值以此為依據(jù)。對于矩形截面柱體,單位高度上動水附加質(zhì)量可以通過等效圓柱體單位高度上的動水附加質(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水附加質(zhì)量,D、B分別為與結(jié)構(gòu)運動方向垂直和平行的矩形截面邊長。當(dāng)D/B=2時,Kc=1.361;當(dāng)(D/B)=0.5時,Kc=1.694。3單墩模型某大橋11號橋墩位于深水當(dāng)中,最大水深為20m,該橋墩為矩形截面實體橋墩,截面為3m×6m,墩高24.7m,墩上為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁,計算跨度為51.1m,梁高4.25m,簡化的橋梁單墩模型如圖2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,輸入地震動為按比例經(jīng)過調(diào)整的以上6條近場地震記錄。3.1動水壓力對橋墩振動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)的振動特性在順橋向結(jié)構(gòu)振動周期明顯增大,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:順橋向的動水附加質(zhì)量要明顯大于橫橋向的動水附加質(zhì)量,因而動水壓力對橋墩系統(tǒng)兩個方向上的振動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,動水壓力對垂直于截面長邊方向上的振動特性影響就越大。3.2在附近地震的作用下，動水壓對橋的地震響應(yīng)的影響3.2.1近場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記錄,使用有限元程序就這6條近場地震記錄對橋墩系統(tǒng)進(jìn)行時程分析,表3及表4列出了在順橋向地震動激勵下橋墩墩底內(nèi)力和墩頂位移響應(yīng)最大值的計算結(jié)果。其中,有水時的水深為20m,R為動水壓力對橋墩地震響應(yīng)的影響率,其值為:R=有水時橋墩地震響應(yīng)值-無水時橋墩地震響應(yīng)值無水時橋墩地震響應(yīng)值×100%R=有水時橋墩地震響應(yīng)值?無水時橋墩地震響應(yīng)值無水時橋墩地震響應(yīng)值×100%由表3及表4可以得出,在近場地震動作用下,當(dāng)輸入地震波的加速度峰值相同時,具有較大速度峰值的近場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),無論在無水時還是在有水時,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)是近場地震具有更強(qiáng)破壞力的原因之一。較大的PGV/PGA值會使反應(yīng)譜加速度敏感區(qū)變寬,因而結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也會明顯變大。由表3及表4還可以看出,在近場地震作用下,動水壓力對橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有顯著的影響,其中在Tcu052w波激勵下,墩底剪力有水時比無水時增大了近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波激勵下,動水壓力對橋墩地震響應(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下的相應(yīng)影響率大20%以上。可見速度脈沖效應(yīng)會進(jìn)一步增大動水壓力對深水橋墩地震響應(yīng)的影響。圖3(a)～(c)列出了順橋向地震動(Sy1090波)激勵下深水橋墩墩底剪力、墩底彎矩及墩頂位移的地震響應(yīng)時程曲線。3.2.2速度脈沖效應(yīng)表5列出了橫橋向地震動激勵下橋墩墩底內(nèi)力響應(yīng)最大值的計算結(jié)果:由表5可以得出,在各類近場地震波作用下,橫橋向橋墩墩底內(nèi)力響應(yīng)有水時有些增大,但差別不大,速度脈沖效應(yīng)對其影響也很小,這主要是因為橫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,動水壓力對橋墩地震響應(yīng)的影響也很小,最大不超過10%,由表2也可以看出,動水附加質(zhì)量幾乎沒有改變橋墩的動力特性,這是由于橋墩垂直于橫橋向的迎水的截面邊長相對較小,從而動水附加質(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,地震動激勵方向不同,近場地震波特性及動水壓力對深水橋墩的地震響應(yīng)影響程度有顯著的差別。4近場地震波特性及動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值的近場地震動會引起橋墩結(jié)構(gòu)較大的地震響應(yīng);動水壓力對橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有顯著