CN112528375A - 基于大质量法考虑行波效应分析大跨桥地震响应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于大质量法考虑行波效应分析大跨桥地震响应的方法，用于建立近断层大跨桥梁的抗震分析理论，保证大跨桥梁的安全性的技术问题。本方法基于大质量法考虑行波效应，以一条地震动为基准研究不同视波速对于大跨斜拉桥地震响应的影响规律；对斜拉桥进行一致激励输入与非一致激励输入，对比分析三类地震动作用下桥梁地震反应的差异性。本发明可以实现综合考虑地震动特性和结构体系特性的耦合作用，由于近断层地震动的脉冲周期与长周期结构的自振周期相近，将会显著放大结构的地震反应，造成该类结构面临巨大的潜在破坏威胁；对于开展近断层区域结构抗震设防具有重要的现实意义，实用性强。

Description

基于大质量法考虑行波效应分析大跨桥地震响应的方法
技术领域
本发明属于桥梁抗震领域，具体涉及一种基于大质量法考虑行波效应分析大跨桥地震响应的方法。
背景技术
地震对桥梁造成的损害非常严重，尤其是大跨度桥梁。由于大跨斜拉桥发展时间较短，所以在地震控制方面的资料也比较少。近年来随着桥梁工程不断发展，人们对斜拉桥、悬索桥等大跨度桥梁的抗震分析越来越重视，所以为了确保桥梁在地震作用下的安全性，必须对大跨度桥梁的抗震性能进行深入研究。
通过对近断层地震动强度指标、地震动脉冲特性、频谱特征等问题的研究，发现近断层地震动在竖向效应、方向性效应、上盘效应和滑冲效应上与远场地震动有明显的差异性。考虑到近断层地震动特殊的运动特性，学者们通过数值模型方法研究了桥梁结构在无脉冲型地震动和脉冲型地震动作用下的破坏机理，结果表明脉冲型地震动能够在短时间内释放大量的地震能量，使得桥梁更易发生损坏。由于近断层效应对桥梁的破坏机理影响较大，对于地震响应的影响规律较复杂，已渐渐地成为桥梁工程界学者们重点研究的对象
目前，研究者通过对近断层短周期桥梁的大量研究，取得了阶段性的成果。采用单向输入地震动较难真实反映桥梁的抗震性能，因此，部分学者为了研究真实情况下的桥梁抗震性能，考虑了近断层地震动脉冲效应的方向性，从而研究双向脉冲地震动输入下桥梁的结构动力响应规律，选取了滑冲型地震动和破裂前方型地震动，通过双向输入研究桥梁的地震响应，发现双向输入会提高桥墩30％以上的变形；分析了脉冲效应下的桥梁地震响应及破坏机理，发现脉冲型地震动可以减小桥墩塑性铰的长度；发现脉冲型地震动能够显著增大桥墩的残余变形；研究了脉冲型地震动对桥梁抗震性能的影响，发现位移或速度而非加速度对桥梁结构响应的影响最为显著，原因就在于地震动的脉冲效应；将近断层地震动和远场地震动进行了对比，研究表明近断层地震动对于拱桥产生的地震响应大于远场地震动。此外，国内外学者针对跨海大桥在近断层地震动作用下的地震响应及抗震性能进行了深入的研究：研究了近断层地震动空间分布特征对斜拉桥地震响应的影响规律；研究了多塔悬索桥在近断层地震动作用下速度脉冲效应对桥塔和主梁地震反应的影响规律；国内外专家针对近断层区域的结构抗震性能进行了卓有成效的研究，但是目前针对大跨桥梁的研究还比较少，且已有的研究大多为水平双向地震动或者是单一的地震动输入，故仍有一些关键性的问题亟待解决，例如
针对大跨斜拉桥中近断层地震动脉冲性能的作用机理和影响的研究仍存在不足。
大跨斜拉桥的特点是低阻尼、长周期、高柔性，而近断层地震动对其影响非常显著，亟需建立近断层效应下的抗震分析理论并提出相应的振动控制方法。建立近断层大跨桥梁的抗震分析理论，具有重要的理论与实用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于大质量法考虑行波效应分析大跨桥地震响应的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于大质量法考虑行波效应分析大跨桥地震响应的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：建立有限元模型；
步骤(2)：基于大质量法考虑行波效应，采用某一条地震波为基准，研究不同视波速对于大跨斜拉桥地震响应的影响规律；
步骤(3)：根据大质量法原理，对斜拉桥进行一致激励输入与非一致激励输入，对比分析近断层脉冲型地震、近断层无脉冲型地震和普通远断层地震作用下桥梁地震反应的差异性。
进一步的，所述步骤(1)具体包括如下步骤：
步骤(11)：采用ANSYS建模，采用ANSYS Parametric Design Language编程命令流，以中桁下弦杆轴线与大桥梁端截面的交点为坐标原点，以纵桥向为X轴，横桥向为Z轴，竖向为Y轴，建立有限元空间分析模型；
步骤(12)：采用单元BEAM44模拟主塔、主梁、辅助墩、边墩以及纵横梁、腹杆，斜拉索以及主梁的连接采用LINK10单元模拟，边墩、辅助墩和塔梁连接处在考虑减隔震之前采用普通支座；
步骤(13)：桥梁左桁各支座处节点的竖向自由度及横向自由度均约束，其它自由度释放；右桁各支座处节点均只约束其竖向自由度，其它自由度释放；不考虑桩土相互作用，将主塔底和边墩辅助墩底固结，塔底各节点的平动和转动自由度均约束。
进一步的，所述步骤(2)包括如下步骤：
步骤(21)：在考虑行波效应时假定地基条件一致，地震波沿地表面以一定的速度传播，考虑结构各支承点处存在振幅衰减和时间滞后，而地震波波形保持不变；
步骤(22)：以El-centro波作为基准，将峰值加速度调整为0.4g，分别计算地震作用下一致激励时，不同视波速下斜拉桥的地震响应，分析不同视波速对桥梁结构动力响应产生的影响。
进一步的，所述步骤(22)中将峰值加速度调整为0.4g，分别计算地震作用下一致激励时，视波速为100m/s，150m/s，200m/s，250m/s，300m/s，400m/s，600m/s，800m/s，1000m/s，1500m/s，2000m/s，4000m/s，6000m/s，8000m/s时斜拉桥的地震响应。
进一步的，所述步骤(3)具体为：根据大质量法原理，在结构与地基接触的边界上，释放一个行波作用方向的约束，且在接触边界上加一个质点单元，这个质点的质量约为结构质量的106倍，并在这个大质量的质点自由度上施加动力荷载P，有：
Figure BDA0002828756120000035
式中的
Figure BDA0002828756120000032
为动力荷载所产生的加速度，M为结构物的质量；
当采用大质量法时，结构的动力平衡方程表述为以下形式：
Figure BDA0002828756120000033
上式的第j个方程为
Figure BDA0002828756120000034
Figure BDA0002828756120000041
上式中，u、
Figure BDA0002828756120000042
分别为结构的位移、速度和加速度向量，m、c、k分别为质量、阻尼和刚度矩阵；
上式两边同除以M，由于M远大于m及上式中的其他项，所以可以认为
Figure BDA0002828756120000043
Figure BDA0002828756120000044
从而保证在基础处施加激励的加速度是一个确定的数值；
在进行多点激励时，每个支承点上施加一个大质量，放松支承点在激励方向的约束，并施加相应的地面加速度；行波效应属于多点激励的一种，如果只考虑行波效应，则输入具有一定相位差的同一条地震波记录的地面加速度；当所有支承点输入相同的地震波加速度时，即为一致激励。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本方法探究了大跨斜拉桥在加速度峰值取0.4g，8度设防烈度的三种罕遇地震作用下，采用大质量法考虑的行波效应对于大跨斜拉桥的结构动力响应的影响。通过选取18条地震动，控制结构基底地震动输入存在的相位差，研究不同地震作用下行波效应的影响；通过对比一致激励与行波激励下的计算结果，发现考虑行波效应前后波形较为相似，但幅值存在着一定的差异性，且峰值出现的时间也有一定的相位差；由此可见，行波效应对于桥梁结构地震响应的幅值存在较大的影响，故进行抗震分析时不容忽视。
附图说明
图1是本发明方法实施例的全桥立面图。
图2是本发明方法实施例的全桥有限元模型图。
图3是本发明方法实施例的有限元模型BEAM44图。
图4是本发明方法实施例的有限元模型LINK10图。
具体实施方式
参照图1-4。本发明基于大质量法的随机加速度激励下结构拓扑优化设计方法具体
步骤如下：
步骤一：建立有限元模型
本方法将桥梁结构通过大型有限元建模软件ANSYS，采用ANSYS ParametricDesign Language(APDL)编程命令流，以中桁下弦杆轴线与大桥梁端截面的交点为坐标原点，以纵桥向(或顺桥向)为X轴，横桥向为Z轴，竖向为Y轴，建立有限元空间分析模型，共计2762个空间梁单元(图2)。本方法采用单元BEAM44(图3)模拟主塔、主梁、辅助墩、边墩以及纵横梁、腹杆等构件。斜拉索以及主梁的连接采用LINK10(图4)单元模拟，边墩、辅助墩和塔梁连接处在考虑减隔震之前采用普通支座；其中，桥梁左桁各支座处节点的竖向自由度及横向自由度均约束，其它自由度释放；右桁各支座处节点均只约束其竖向自由度，其它自由度释放。由于不考虑桩土相互作用，故将主塔底和边墩辅助墩底固结，塔底各节点的平动和转动自由度均约束。
步骤二：研究不同视波速对于大跨斜拉桥地震响应的影响规律
对于非一致激励时程分析采用某一条地震波为基准，并考虑不同视波速的影响，在不同支承点处采取相应的相位调整，即行波激励。在考虑行波效应时假定地基条件一致，地震波沿地表面以一定的速度传播，考虑结构各支承点处存在振幅衰减和时间滞后，而地震波波形保持不变。本方法以El-centro波作为基准，将峰值加速度调整为0.4g，分别计算地震作用下一致激励时，不同视波速下斜拉桥的地震响应，分析不同视波速对桥梁结构动力响应产生的影响
步骤三：对斜拉桥进行一致激励和非一致激励下的地震响应分析
根据大质量法原理，在结构与地基接触的边界上，释放一个行波作用方向的约束，且在接触边界上加一个质点单元，这个质点的质量约为结构质量的106倍左右，并在这个大质量的质点自由度上施加动力荷载P，有:
Figure BDA0002828756120000051
式中的
Figure BDA0002828756120000053
为动力荷载所产生的加速度，M为结构物的质量。
当采用大质量法时，结构的动力平衡方程表述为以下形式：
Figure BDA0002828756120000052
Figure BDA0002828756120000061
上式的第j个方程为
Figure BDA0002828756120000062
u、
Figure BDA0002828756120000063
分别为结构的位移、速度和加速度向量。m、c、k分别为质量、阻尼和刚度矩阵。
上式两边同除以M，由于M远大于m及上式中的其他项，所以可以认为
Figure BDA0002828756120000064
Figure BDA0002828756120000065
从而保证在基础处施加激励的加速度是一个确定的数值。
在进行多点激励时，每个支承点上施加一个大质量，放松支承点在激励方向的约束，并施加相应的地面加速度。行波效应属于多点激励的一种，如果只考虑行波效应，则输入具有一定相位差的同一条地震波记录的地面加速度。当所有支承点输入相同的地震波加速度时，即为一致激励。本方法探究了大跨斜拉桥在加速度峰值取0.4g，8度设防烈度的三种罕遇地震作用下，采用大质量法考虑的行波效应对于大跨斜拉桥的结构动力响应的影响。通过选取18条地震动，控制结构基底地震动输入存在的相位差，研究不同地震作用下行波效应的影响。
本方法通过对比一致激励与行波激励下的计算结果，发现考虑行波效应前后波形较为相似，但幅值存在着一定的差异性，且峰值出现的时间也有一定的相位差。由此可见，行波效应对于桥梁结构地震响应的幅值存在较大的影响，故进行抗震分析时不容忽视。

Claims (5)

1.一种基于大质量法考虑行波效应分析大跨桥地震响应的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：建立有限元模型；
步骤(2)：基于大质量法考虑行波效应，采用某一条地震波为基准，研究不同视波速对于大跨斜拉桥地震响应的影响规律；
步骤(3)：根据大质量法原理，对斜拉桥进行一致激励输入与非一致激励输入，对比分析近断层脉冲型地震、近断层无脉冲型地震和普通远断层地震作用下桥梁地震反应的差异性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括如下步骤：
步骤(11)：采用ANSYS建模，采用ANSYS Parametric Design Language编程命令流，以中桁下弦杆轴线与大桥梁端截面的交点为坐标原点，以纵桥向为X轴，横桥向为Z轴，竖向为Y轴，建立有限元空间分析模型；
步骤(12)：采用单元BEAM44模拟主塔、主梁、辅助墩、边墩以及纵横梁、腹杆，斜拉索以及主梁的连接采用LINK10单元模拟，边墩、辅助墩和塔梁连接处在考虑减隔震之前采用普通支座；
步骤(13)：桥梁左桁各支座处节点的竖向自由度及横向自由度均约束，其它自由度释放；右桁各支座处节点均只约束其竖向自由度，其它自由度释放；不考虑桩土相互作用，将主塔底和边墩辅助墩底固结，塔底各节点的平动和转动自由度均约束。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下步骤：
步骤(21)：在考虑行波效应时假定地基条件一致，地震波沿地表面以一定的速度传播，考虑结构各支承点处存在振幅衰减和时间滞后，而地震波波形保持不变；
步骤(22)：以El-centro波作为基准，将峰值加速度调整为0.4g，分别计算地震作用下一致激励时，不同视波速下斜拉桥的地震响应，分析不同视波速对桥梁结构动力响应产生的影响。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(22)中将峰值加速度调整为0.4g，分别计算地震作用下一致激励时，视波速为100m/s，150m/s，200m/s，250m/s，300m/s，400m/s，600m/s，800m/s，1000m/s，1500m/s，2000m/s，4000m/s，6000m/s，8000m/s时斜拉桥的地震响应。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：根据大质量法原理，在结构与地基接触的边界上，释放一个行波作用方向的约束，且在接触边界上加一个质点单元，这个质点的质量约为结构质量的106倍，并在这个大质量的质点自由度上施加动力荷载P，有：
Figure FDA0002828756110000021
式中的
Figure FDA0002828756110000022
为动力荷载所产生的加速度，M为结构物的质量；
当采用大质量法时，结构的动力平衡方程表述为以下形式：
Figure FDA0002828756110000023
上式的第j个方程为
Figure FDA0002828756110000024
上式中，u、
Figure FDA0002828756110000025
分别为结构的位移、速度和加速度向量，m、c、k分别为质量、阻尼和刚度矩阵；
上式两边同除以M，由于M远大于m及上式中的其他项，所以可以认为
Figure FDA0002828756110000026
Figure FDA0002828756110000027
从而保证在基础处施加激励的加速度是一个确定的数值；
在进行多点激励时，每个支承点上施加一个大质量，放松支承点在激励方向的约束，并施加相应的地面加速度；行波效应属于多点激励的一种，如果只考虑行波效应，则输入具有一定相位差的同一条地震波记录的地面加速度；当所有支承点输入相同的地震波加速度时，即为一致激励。
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