考虑地形效应与地震波斜入射的高墩连续刚构桥动力响应研究

考虑地形效应与地震波斜入射的高墩连续刚构桥动力响应研究近年来地震的频发给人们带来了生命和财产上的威胁,桥梁作为重要的交通枢纽一旦遭到破坏后果将不堪设想。本文针对高墩连续刚构桥在考虑地形效应与斜入射下的地震响应问题做出了研究,以便为今后该类桥梁的抗震设计提供借鉴和参考,本文主要做了以下几个方面的研究工作并得出相关结论:首先介绍了基于粘弹性人工边界地震波斜入射输入方法并基于Abaqus粘弹性人工边界建立二维矩形有限元模型进行P波和SV波斜入射下的算例验证。

基于粘弹性人工边界通过Abaqus有限元软件建立了二维和三维共七个场地模型,其中包括了平地、凹形河谷和凸形山脊三类地形;通过分析地表观测点的地震响应值对比研究了P波和SV波两种波形在不同入射角度下各场地地表的地震响应特征,结果表明:地震波斜入射时各场地地表地震响应时间要滞后于垂直入射,入射角度越大,滞后现象越明显;相对于平地地形,河谷和山脊地形对地震动均具有明显的放大效应;河谷和山脊地形地表的地震响应值整体随高程的增大而增大,坡顶处的地震响应值最大;河谷和山脊地形坡高(斜坡坡度)更大时对地震的放大效应更明显;河谷场地左侧地表观测点(靠近入射波源一侧)水平向地震响应值整体要大于右侧,P波和SV波斜向入射(15?和30?)时相差更明显,说明河谷地形对水平向地震波的传播具有一定的屏蔽效应;总体上三维模型的地震响应值计算结果要略大于二维模型。以一实际桥梁为例,通过Abaqus建立三维高墩连续刚构桥有限元模型,将三维河谷(45?坡)场地地表各观测点的加速度时程作为地震动施加到桥梁模型中,结合不同波形和入射角度研究分析了凹形河谷场地对桥梁(纵桥向)地震响应的影响,结果表明:桥梁在P波和SV波垂直入射与斜入射时的地震响应情况存在明显差异;同一地震波形和入射角度下桥梁不同桥墩的地震

响应结果也各不相同,总体来看,靠近坡顶处的低墩地震内力响应明显比坡底处的高墩要大,墩高相同的桥墩距离入射波源越近时水平向(纵桥向)地震响应值越大;针对桥梁所在河谷场地改变局部斜坡坡度,与原模型进行对比分析,结果表明,河谷地形局部斜坡坡度的变化对桥梁的地震响应影响不大。

为了研究地形效应下地震波斜入射时桥墩不同设置参数对高墩连续刚构桥抗震性能的影响,建立不同桥墩截面形式及系梁设置参数的高墩连续刚构桥模型在P波斜入射下进行线弹性对比分析,结果表明:桥墩截面面积相同时实心墩较空心墩更能有效减小桥墩应力;截面尺寸和纵向刚度相同时,空心墩较实心墩更能有效减小桥墩应力;从动力因素上考虑,桥墩系梁设置道数越多刚度设置越大对抗震更不利。