时程分析法作用下大跨度斜拉桥的地震响应研究

余报楚 王家嵩 艾 杰

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)



时程分析法作用下大跨度斜拉桥的地震响应研究

余报楚 王家嵩 艾 杰

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

采用有限元分析软件MIDAS，建立了某大跨度斜拉桥模型，并通过时程分析法对该桥进行了地震响应分析，对顺桥向、顺桥向+纵桥向、顺桥向+横桥向+纵桥向三种一致激励工况作了比较，得出了一些有意义的结论。

斜拉桥，地震波，时程分析法，弯矩

1 地震波的输入方法

我们都知道，地震是以地震波来释放能量的，而且没有明确的方向，当它传到地面时，就会给地面带来破坏。但是由于每一个地方地层分布、地质条件都存在着一定的差异，反应到地面上的时候，情况也是参差不齐的，没有任何时间、空间的规律可言。当忽略地震的空间性，并认为所有的支承地震动都是相同的，这种方法在结构的地震反应分析中就被称为一致激励法。大跨度桥梁的地震响应分析要比跨度小的桥梁复杂得多，把时间的变化、空间的变化都考虑进去，就是多点激励法。多点激励法有如下实现方法：第一种是相对运动法，第二种为直接求解法，第三种是大质量法，第四种为等效荷载法。在某种意义上说，一致激励输入法可以认为是多点激励法的一种特殊表现形式，可通过等效荷载法实现。

2 地震波的输入

本文根据场地条件采用最常用的埃尔森特罗波(EL-Centro)，增幅系数为1，时间单位为1，分析类型为线性，采用振型叠加法瞬态分析，阻尼比为0.05。

3 工程概况及模型的建立

本文的斜拉桥为一座对称式三跨连续梁斜拉桥，全长1 288 m，桥面总宽32 m，主桥跨径布置为320 m+648 m+320 m，弧度为5%，横断面设置为双向四车道。该斜拉桥采用空间结构的有限元分析软件MIDAS来建立桥梁的有限元模型，利用时程分析法对斜拉桥进行地震响应分析，并设置顺桥向、顺桥向+纵桥向、顺桥向+横桥向+纵桥向三种工况进行对比分析。斜拉桥全桥的有限元模型效果图如图1所示。

4 时程分析结果

4.1 顺桥向输入

在顺桥向地震动输入的情况下，主梁跨中和塔底的内力时程曲线见图2～图5，主梁和索塔的位移极值见表1。

表1 顺桥向主梁和索塔位移的最大值和最小值 m

从位移的时程反应可以看出，正向的最大位移出现在索塔的顺桥方向上，为0.311 4 m；而主梁的最大位移为0.241 5 m。从内力的时程分析结果来看，最大的弯矩出现在跨中的4.8 s时数值为0.028 t·m，而剪力最大则出现在塔底。

4.2 顺桥向+纵桥向输入

在顺桥向+纵桥向地震动输入的情况下，主梁跨中和塔底的内力时程曲线如图6～图9所示，主梁和索塔的位移极值如表2所示。

表2 顺桥向+纵桥向主梁和索塔位移的最大值和最小值 m

从位移的时程反应可以看出，正向的最大位移出现在主梁的纵桥方向上，为0.359 1 m，比只有顺桥向输入时增大了15.32%；而索塔的最大位移为0.325 m，比只有顺桥向输入时增大了4.37%。从内力的时程分析结果来看，最大的弯矩出现在主梁跨中的5.58 s时数值为0.009 t·m，而剪力最大值同样出现在4.77 s的塔底，为0.028 86 t·m。

4.3 顺桥向+横桥向+纵桥向输入

在顺桥向+横桥向+纵桥向地震动输入的情况下，主梁跨中和塔底的内力时程曲线如图10～图13所示，主梁和索塔的位移极值如表3所示。

表3 顺桥向+横桥向+纵桥向主梁和索塔位移的最大值和最小值 m

从位移的时程反应可以看出，正向的最大位移出现在主梁的

横桥方向上，为0.394 9 m，相比只有顺桥向+纵桥向输入位移增加了9.97%；然而索塔的最大位移为0.333 4 m，相比只有顺桥向+纵桥向输入位移增加了2.58%。从内力的时程分析结果来看，最大的弯矩、剪力最大值与双向输入相比无明显变化。

5 结语

本文通过运用MIDAS中时程分析的模块，对斜拉桥进行了基于时程分析法的地震响应分析，采用已有地震记录埃尔森特罗(EI-Centro)地震波，对斜拉桥的模型采用顺桥向、顺桥向+纵桥向、顺桥向+横桥向+纵桥向组合三种一致激励工况进行计算分析，总结如下：

1)只施加单方向的地震动输入时，斜拉桥整体只表现在该方向上位移及内力的响应，最大剪力和弯矩均出现在索塔塔底。

2)在组合(双向、三向)方向的地震动输入下，基于激励的耦合效应，斜拉桥各方向的位移以及主梁和索塔的轴力、剪力、弯矩等均有一定程度的增加，最大的剪力和弯矩始终出现在索塔塔底。

[1] 余报楚.混凝土斜拉桥与T构协作体系的极限承载力及动力响应研究[D].大连:大连理工大学博士学位论文，2005.

[2] 林家浩,张亚辉,赵 岩.大跨度结构抗震分析方法及近期进展[J].力学进展，2001(3)：46-47.

[3] 周锡元,吴育才.工程抗震的新发展[M].北京:清华大学出版社，2002.

Analysis on cable-stayed bridge seismic response under time-history method

Yu Baochu Wang Jiasong Ai Jie

(CollegeofOceanandCivilEngineering,DalianUniversityofOcean,Dalian116023,China)

The paper adopts MIDAS, the finite element software, establishes some large-span cable-stayed bridge model, undertakes the seismic response analysis of the bridge with the time-history method, and compares the exciting conditions including the bridge in axial direction, the bridge in axial direction plus bridge in longitudinal direction, and bridge in axial direction plus bridge in longitudinal direction plus bridge in axial direction plus bridge in horizontal direction plus bridge in longitudinal direction, so as to achieve some conclusion.

cable-stayed bridge, seismic wave, time-history analysis method, bending moment

1009-6825(2017)10-0167-03

2017-01-22

余报楚(1974- )，男，教授； 王家嵩(1991- )，男，在读硕士

U442.55

A