考慮行波效應的大跨度連續(xù)剛構橋地震作用分析

成凱

（湖北 咸寧437000）

0 引言

目前大跨度連續(xù)剛構橋設計時分析地震作用常采用一致激勵來輸入地震波，而未考慮到地震作用在時間和空間的變異性，這種變異性以行波效應為主。地震作用分析時常采用一致激勵輸入，但因橋梁的跨度不同，地震波到達不同橋墩的時間不同，此時必須考慮不同橋墩之間的運動相位差，即行波效應。大量的文獻研究結果表明行波效應對橋梁結構的影響不可忽視。這些研究中均以主墩輸入為主，且模型的建立均未考慮到邊墩的地震輸入。

本文以一座跨度274m剛構橋為例，用Midas建立有限元模型，以多點激勵（非一致振動）功能來分析行波效應。筆者分別設置波速（倍數(shù)增長）：100m/s、200m/s、400m/s、800m/s的地震波，分別從剛構橋的邊墩以及兩主墩輸入，分析了行波對不同關鍵截面產(chǎn)生的撓度、彎矩和剪力的影響，并與一致激勵作對比分析，得出結論可為類似跨徑剛構橋的行波效應分析提供參考。

1 行波效應多點激勵分析

1.1 地震波輸入

本工程19#墩及22#墩均采用GQZ球形支座，20#墩及21#墩的主梁與墩固結，分別比較在不同波速下行波激勵與一致激勵的主梁關鍵部位（雙薄壁墩連接處截面、中跨跨中截面）的位移、內(nèi)力、應力，如圖1所示。筆者假設地震波從左向右依次傳播，地震波時程圖如2所示，不同波速參數(shù)工況如下所示，其中工況1為排除邊墩對主梁的影響，工況2~工況5位不同波速下的行波激勵，工況6為一致激勵。

工況1：19#墩開始輸入；工況2：20#墩開始輸入，波速100m/s，21#墩滯后1.3s；工況3：20#墩開始輸入，波速200m/s，21#墩滯后0.65s；工況4：20#墩開始輸入，波速400m/s，21#墩滯后0.325s；工況5：20#墩開始輸入，波速800m/s，21#墩滯后0.1625s；工況6：20#墩、21#墩同時輸入（一致激勵）。

1.2 結果分析

根據(jù)連續(xù)剛構橋受力特性，中跨跨中截面正彎矩、撓度最大，薄壁墩處負彎矩、剪力最大，故選取受力最不利截面來分別比較。其中邊墩19#在地震波的作用下中跨跨中截面的彎矩較小，基本為0，可認為地震波從邊跨輸入對主梁的縱向影響基本上可以忽略，故本次只對工況2~工況6進行分析。

1.2.1 撓度

中跨跨中截面在不同波速工況下的撓度峰值對比圖見圖3。

圖3 中跨跨中截面不同工況撓度峰值

最大撓度為工況2：-18.92mm，最小撓度為工況6：基本接近0，說明波速越小產(chǎn)生的影響越大，一致激勵引起的中跨跨中截面動撓度有相互抵消趨勢。波速越小，撓度達到最大峰值的滯后性越明顯，隨著波速的增大，撓度下?lián)馅厔葜饾u減小，且時間滯后性逐漸減弱至與一致激勵保持同步。

波速：100m/s、200m/s、400m/s、800m/s成倍增加時，中跨中跨截面撓度峰值：-18.92mm、-11.25mm、-5.87mm、-3.20mm、0成倍地減少，在不同波速的作用下中跨跨中截面撓度的差異較大，波速越小，影響作用越大，滯后性越明顯。

1.2.2 彎矩

20#墩、21#墩的兩薄壁墩截面承受負彎矩，中跨跨中截面承受正彎矩，為了方便比較不同截面的彎矩在不同波速下地震作用效應，如圖1對截面進行了編號，不同工況不同截面的對比圖見圖4。

圖4 不同工況下各截面彎矩峰值對比

隨著行波波速的增大，彎矩變化趨勢逐步減小至與一致激勵的保持相同的趨勢，且這種變化趨勢與撓度相同。工況2~工況6同一截面的彎矩變化量隨著波速的增加逐漸減小，且慢慢趨于穩(wěn)定，說明地震波在傳播的過程中能量逐漸減弱，地震波強迫振動后的穩(wěn)定部分來自主梁的自由振動。

不同工況下同一截面的彎矩峰值成倍地減少，截面1、截面5減少的速度最快，截面2、截面4減少的速度相對稍慢些，除截面3減少至0外，其余截面整體逐漸減少至相同幅值。同一工況下，截面1與截面5峰值接近，截面2與截面4接近，薄壁墩在行波的作用下彎矩峰值關于中跨跨中截面正對稱。截面1、截面5彎矩峰值均比截面2、截面峰值大，說明靠近邊跨側的薄壁墩受力承受的彎矩大，在相同的地震波下越敏感受力越不利。

1.2.3 剪力

分析工況2~工況6各個關鍵截面的剪力時程變化，不同工況下各個剪力峰值對比圖見圖5。

圖5 不同工況下各截面剪力峰值對比

截面1與截面5、截面2與截面4剪力時程曲線均關于中跨跨中截面3對稱，且薄壁墩靠近邊跨側的剪力均大于另一側，這種變化趨勢與彎矩變化一致，之后均趨于穩(wěn)定。不同工況下同一截面的剪力值逐漸減小至與一致激勵相同值，敏感截面1、截面5相對截面2、4減小的速度快，這不僅體現(xiàn)在剪力上，同時也體現(xiàn)在彎矩的變化上。

2 結論

（1）連續(xù)剛構橋的邊墩并未與主梁固結，行波在邊墩處傳播對主梁縱向影響較小，基本上可忽略。而薄壁主墩與主梁固結，行波的影響較大，此時需要考慮行波的作用影響。

（2）不同波速的行波對剛構橋的影響效應差異大，波速越小影響越大，影響的滯后性越明顯，當波速逐步增大滯后性減弱至與一致激勵同步，且影響程度均大于一致激勵。

（3）常采用地震波輸入方式（一致激勵）分析橋跨結構，動撓度結果偏小，結構的內(nèi)力也偏小，結果往往偏于不安全，建議此類橋梁設計時考慮行波效應來分析地震作用。