近场地震对深水桥墩地震响应的影响分析

近场地震对深水桥墩地震响应的影响分析

1近场地震作用下桥梁结构的特殊响应及灾后分析近年来，近场地震对建筑结构的影响主要表现在附近地震的大量地震中。例如，1994年美国的北庭地震（m6.7）、1995年日本的coba地震（m7.2）和台湾的ch-ch地震（m7.6）。从这几次地震所得到的记录中可以看出,大多数近场地震均具有较大的PGV/PGA值及明显的速度脉冲,对建筑结构的内力和位移响应产生了较大的影响。而我国是一个多地震的国家,境内地震带及地震断层较多,一些大型桥梁很可能跨越断层或邻近断层。因此,在我国深入研究近场地震作用下桥梁结构的特殊响应以及减灾措施是十分必要的。另一方面,由于经济发展的需要,我国还将在大江大河上修建许多大跨度桥梁,以及跨海大桥,如我国拟建的六大跨海工程,跨海大桥的修建必将是其关键工程之一。大跨度桥梁的桥墩往往处于深水当中,我国《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111-87)规定:“梁式桥跨结构的实体桥墩,在常水位以下部分,水深超过5m时,应计入地震动水压力对桥墩的作用。”在桥梁结构的动力分析领域,近年来王君杰教授等曾研究了桥墩地震响应的水动力学效应。本文利用动水附加质量的方法考虑水-结构的相互作用,分析了不同类型近场地震作用下深水桥墩的特殊地震响应。2分析2.1近场地震记录的选取选用了分别来自不同地区的3次地震的6条近场地震记录,图1(a)～(f)列出了6条地震波的速度时程曲线。为了分析PGV/PGA值及速度脉冲效应与桥墩地震响应的关系,在所选取的6条地震波当中,来自同一地震事件的记录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,所选用的近场地震记录主要参数如表1所示。从以上地震波的速度时程曲线可以看出,具有较大速度峰值的Tcu052w波、Tak000波和Scs052波都具有较明显的速度脉冲,而Syl090波虽然速度峰值相对较小,但也有明显的脉冲现象。2.2动水附加质量采用有限元方法计算地震动水压力,计算模型如图2所示。桥墩截面为3m×6m的等截面矩形桥墩,假设地基为刚性地基,桥墩结构采用三维弹性梁单元进行离散,上部结构简化为集中质量单元。本文主要采用Morison方程方法来分析地震动水压力对深水桥墩的影响。Morison方程方法是指以Morison方程为基础,把水等效为附加质量来考虑水对结构的影响,再采用有限元方法计算桥墩结构的地震响应。该方法忽略了结构对水运动的影响,认为水对结构的作用主要分别由未受扰动的加速度场和速度场引起的沿水运动方向作用于结构上的惯性力和阻力。对于圆截面柱体横桥向小尺寸结构,地震动引起的动水压力计算公式为: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为水的密度;u¨u¨、˙uu˙为水的绝对加速度和绝对速度;¨xx¨、˙xx˙为结构的相对加速度和相对速度;¨xgx¨g为地面运动加速度;CM为动水惯性力系数;CD为动水粘性阻尼系数。假设桥梁处于静水当中,即u¨=˙u=0u¨=u˙=0时,方程可写为: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,动水阻力引起的桥墩结构的动力响应变化率很小,为简化计算,本文忽略了动水阻力的影响,则整个水-结构相互作用体系在地震作用下的动力平衡方程可以表示为: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)根据我国1982年颁布的《海水固定平台建造规范》规定:对于圆柱体结构CM=2.0,本文计算时,动水惯性力系数CM的取值以此为依据。对于矩形截面柱体,单位高度上动水附加质量可以通过等效圆柱体单位高度上的动水附加质量乘上一修正系数Kc得到,Kc与矩形截面形状参数(D/B)有关,如式(6)所示Μrw=Κc(D/B)Μcw(6)Mrw=Kc(D/B)Mcw(6)式中Mrw、Mcw分别为矩形截面柱体和以D为直径的圆柱体单位高度上的动水附加质量,D、B分别为与结构运动方向垂直和平行的矩形截面边长。当D/B=2时,Kc=1.361;当(D/B)=0.5时,Kc=1.694。3单墩模型某大桥11号桥墩位于深水当中,最大水深为20m,该桥墩为矩形截面实体桥墩,截面为3m×6m,墩高24.7m,墩上为预应力混凝土简支梁,计算跨度为51.1m,梁高4.25m,简化的桥梁单墩模型如图2所示,墩顶集中质量取一跨梁桥面系的质量,其值为501798kg;地震设计烈度为8度。输入最大水平加速度幅值调整为0.2g,输入地震动为按比例经过调整的以上6条近场地震记录。3.1动水压力对桥墩振动特性的影响用有限元程序对三维桥墩系统进行模态分析,得出结构的振动周期,表2列出了桥墩系统不同方向上在无水和有水(20m)情况下的前两阶振动周期。从表2可以看出,由于有水附加质量的影响,桥墩系统的振动特性在顺桥向结构振动周期明显增大,而横桥向增大则不明显,这是由于桥墩为矩形截面,垂直于顺桥向的截面边长大于垂直于横桥向的截面边长,由式(6)可以得出:顺桥向的动水附加质量要明显大于横桥向的动水附加质量,因而动水压力对桥墩系统两个方向上的振动特性的影响有很大差别。由式(6)还可以看出,矩形截面形状参数D/B的比值越大,动水压力对垂直于截面长边方向上的振动特性影响就越大。3.2在附近地震的作用下，动水压对桥的地震响应的影响3.2.1近场地震作用下桥墩的地震响应值本文所选用的6条地震记录均为近场记录,使用有限元程序就这6条近场地震记录对桥墩系统进行时程分析,表3及表4列出了在顺桥向地震动激励下桥墩墩底内力和墩顶位移响应最大值的计算结果。其中,有水时的水深为20m,R为动水压力对桥墩地震响应的影响率,其值为:R=有水时桥墩地震响应值-无水时桥墩地震响应值无水时桥墩地震响应值×100%R=有水时桥墩地震响应值−无水时桥墩地震响应值无水时桥墩地震响应值×100%由表3及表4可以得出,在近场地震动作用下,当输入地震波的加速度峰值相同时,具有较大速度峰值的近场地震记录引起的桥墩地震响应明显大于速度峰值较小的地震记录引起的桥墩地震响应,无论在无水时还是在有水时,前者比后者都大很多,可见较大的速度峰值,即较大的PGV/PGA值(本算例中引起较大地震响应的地震记录的PGV/PGA值都大于0.2)是近场地震具有更强破坏力的原因之一。较大的PGV/PGA值会使反应谱加速度敏感区变宽,因而结构的地震响应也会明显变大。由表3及表4还可以看出,在近场地震作用下,动水压力对桥墩结构的地震响应有显著的影响,其中在Tcu052w波激励下,墩底剪力有水时比无水时增大了近100%,最小的R值也达到了近35%。另一方面,在具有明显速度脉冲的Tcu052w波、Tak000波、Scs052波和Sy1090波激励下,动水压力对桥墩地震响应的影响率明显较大,墩底剪力增大了90%以上,墩底弯矩增大了60%左右,墩顶位移增大了50%左右,比不具有明显速度脉冲的地震波激励下的相应影响率大20%以上。可见速度脉冲效应会进一步增大动水压力对深水桥墩地震响应的影响。图3(a)～(c)列出了顺桥向地震动(Sy1090波)激励下深水桥墩墩底剪力、墩底弯矩及墩顶位移的地震响应时程曲线。3.2.2速度脉冲效应表5列出了横桥向地震动激励下桥墩墩底内力响应最大值的计算结果:由表5可以得出,在各类近场地震波作用下,横桥向桥墩墩底内力响应有水时有些增大,但差别不大,速度脉冲效应对其影响也很小,这主要是因为横桥向桥墩基本自振周期比较小、与所选择地震波卓越周期相差较大的缘故。另外,动水压力对桥墩地震响应的影响也很小,最大不超过10%,由表2也可以看出,动水附加质量几乎没有改变桥墩的动力特性,这是由于桥墩垂直于横桥向的迎水的截面边长相对较小,从而动水附加质量也较小,不足以显著的改变深水桥墩的地震响应。可见,在本算例中,地震动激励方向不同,近场地震波特性及动水压力对深水桥墩的地震响应影响程度有显著的差别。4近场地震波特性及动水压力的影响通过以上分析可得到如下结论:(1)具有较大的PGV/PGA值的近场地震动会引起桥墩结构较大的地震响应;动水压力对桥墩结构的地震响应有显著