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摘要：对大跨径斜拉桥长周期地震动作用下的响应问题进行探讨，选取普通地震波与长周期地震波进行频谱对比，以某大跨径斜拉桥为例，通过有限元模型建立，对两种类型地震动作用下该桥的地震响应采用非线性时程分析方法进行分析对比。结果显示，大跨径桥梁的内力及位移响应长周期地震动作用影响显著，弹性连接装置的位移控制率较低，在长周期地震动作用下导致结构内力增加，液体粘滞阻尼器的参数是否合理，直接对桥梁对长周期地震动作用的减震效果起关键作用。
关键词：大跨径斜拉桥；长周期地震动；地震响应
地震的破坏力与震级成正比关系，在发生强烈地震时，因为断层破裂持续时间长、尺度大，地震中长周期成分较多，随着传播距离的加大，地震波中的短周期成分衰退，长周期成分因其穿透力较强，衰减非常缓慢，如遇到土层深厚、软弱地层条件，还会呈加剧的趋势。本文主要针对长周期地震动作用对大跨径斜拉桥的影响进行研究，通过普通地震波与长周期地震波的对比，以某桥为例分析不同类型地震动作用下，两种纵向减震措施的效果。
一、地震波频谱特性对比
选择人工地震波与Taft波作为普通地震波，选择汶川地震与日本十胜冲地震中，两处距离较远的地震台记录的地震波作为长周期地震波（简称汶川波与十胜冲波）。人工波与Taft波的峰值加速度、持续时间、震级分别为189.47cm2/s、25.60s、无与175.95cm2/s、54.38s、7.7级；汶川波与十胜冲波的峰值加速度、持续时间、震级分别为54.32cm2/s、274.00s、8.0级与72.92cm2/s、290.00s、8.0级。对普通地震波相比，长周期地震波的特点是缝制加速度低，振动时间长。随着和震中距离的加大，高频部分明显衰减，而低频部分衰减较慢。普通地震波卓越频率主要分布于高频率范围，高频带能力丰富，如人工波与Taft波分布在1.0-5.0Hz；而长周期地震波能量几种在低频带，如汶川波与十胜冲波分布在0.1-1.0Hz。
地震的频谱特性通过反应谱的响应间接反映出来，对结构地震动响应与动力特性之间的关系进行表征，了解结构地震响应受地震波频谱特性的影响。为饿了对长周期地震动与普通地震动的频谱差异进行了解，对人工地震波、Taft波、汶川波与十胜冲波位移与加速度反应谱进行计算，对位移反应谱及地震响应分析时，以人工波峰值加速度作为普通地震波的峰值加速度，考虑到记录场地土层与长周期地震波的远场性具有特殊性，不对峰值加速度进行调整，以原始记录值进行计算。结果显示，在0-1s区间内普通地震波加速度响应比较大，在2s时，峰值降至20%以下；而长周期地震波周期长，并且衰减缓慢，直到20s时，仍然比普通地震波高出2倍左右。位移反应谱方面，普通地震波与长周期地震波的差异不大，在2s以后，长周期地震波位移响应增幅较大，7.5s左右达到峰值，然后逐渐降低，仍比普通地震波高出1倍以上。由此可见，长周期地震波对柔性结构的位移及加速度响应的影响较大。
二、有限元建模及分析
以模大跨径斜拉桥为例，该桥属于混合梁斜拉桥，承台上塔高300m，边跨设置1个边墩和5个辅助墩，采用钢箱梁作为跨中主梁，混凝土箱梁作为边跨主梁，桥面宽35m，梁高4m，全桥供设312根拉索。采用通用大型有限元软件ANSYS建立全桥有限元分析模型。采用空间梁单元对主梁、主塔进行模拟；采用空间质量单元对桥面铺装及附属设置的质量进行模拟；采用空间桁架单元对斜拉索进行模拟，考虑拉索的刚度及垂度效应；主梁、斜拉索及桥塔间主从连接；塔底与墩底固接，对桩基础的作用忽略不计。
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根据以上模型分析，采用模态分析结构，分析结果显示，该桥一阶振型为主梁纵飘，周期14.99s，主梁一阶竖弯与侧弯振动周期为5.27s、9.06s，桥塔横向侧弯周期为4.11s，属于典型长周期结构。
三、长周期结构地震响应分析
采用时程分析对结构进行分析，两种地震动作用下，结构内力与位移时响应的关键。从分析结果可知：首先，主梁与桥塔在长周期地震动作用下，关键位置地震位移明显比普通地震波的响应显著。其次，虽然普通地震波的峰值加速度高于长周期地震动峰值加速度，但是在长周期区段，其加速度反应谱值的衰减速度非常慢，与普通地震动激励下响应水平相比，塔底的地震内力响应基本与其处于相同水平。由此可见，大跨径斜拉桥受长周期地震动作用的影响，其位移响应非常明显，同时其内力响应也非常显著。
四、纵向减震措施效果研究
因为大跨径斜拉桥主梁自振周期长、属漂浮体系、阻尼较低，造成梁段地震位移响应比较明显，容易出现伸缩缝与支座受损，严重的对引桥的安全带来影响，所以，要对斜拉桥主梁在地震激励下的纵向位移响应进行控制。现阶段，位移控制常用方法主要有弹性连接装置、液体粘滞阻尼器两类。以人工波和十胜冲波作为输入，对普通地震波、长周期地震波激励下的两种纵向减震装置的效果进行分析。
1、弹性连接装置
该装置提供的是连接刚度，有钢绞线成品索、大型橡胶支座，主要作用是对塔梁见的传力路径进行改变，降低主梁纵向振动周期、截稿结构刚度，达到对位移的控制。在普通地震波作用下，弹性连接刚度在增加的过程中，结构体系的整体刚度也会逐渐增加，降低了结构振动的周期，弹性连接装置对梁端位移的控制效果较为明显，塔底弯矩稳定增大，位移量减低到原结构体系的一半时，内力响应约增加25%左右。主要是由于普通地震波加速度响应稳步增加、反应谱值周期降低，位移响应也逐渐降低。可见，长周期地震波激励下，弹性连接装置对大跨径斜拉桥梁端位移的响应效率比较低，而且还会造成地震内力响应的增加。
2、液体粘滞阻尼器
由阻尼孔、油缸及活塞组成，利用活塞前后压力差，使液体进入阻尼孔，产生阻尼力，阻尼指数为0.2时，阻尼器出力对速度变化比较敏感，也就是在非常小的速度下，阻尼力较大；在阻尼指数为1时，随着运动速度的增加阻尼力也增大，位移达到最大时，阻尼力最小，趋近于0；在速度最大时，阻尼力最大，结构变形及内力最小。液体粘滞阻尼器的结构的内力与变形及阻尼力之间有90度的相位差，因此此类阻尼器对结构内力响应不会产生影响。因此，只需要合理选择阻尼参数，在两种不同类型地震波作用下，液体粘滞阻尼器能够同时有效的降低结构内力与位移响应。
五、小结
大跨径斜拉桥对长周期地震动作用下位移响应明显，因此工程场地条件要对地震动的影响充分考虑。采用弹性连接装置对大跨径斜拉桥梁端纵向位移在长周期地震动作用下进行控制，效率较低，还会造成结构内力的增加，所以不适合在长周期地震动影响较大的桥梁中应用。液体粘滞阻尼器的光谱性较好，应用中只需对参数合理选择，在长周期地震动作用及普通地震动作用下同样适用，减震效果较好。
参考文献：
[1]陈清军，张婷，陈志海.长周期随机地震作用下超大跨斜拉桥的行波效应分析[J].湖南大学学报（自然科学版），2014，（04）：1-9.
[2]武芳文，徐超，赵雷.超大跨度斜拉桥随机地震响应参数敏感性分析[J].铁道学报，2014，（06）：107-113.
[3]李勇，闫维明，陈彦江.大跨斜拉桥的近断层地震响应及减震控制[J].防灾减灾工程学报，2010，（05）：479-486.
[4]雷凡，邓育林，何雄君.地震动行波作用下大跨斜拉桥与引桥伸缩缝处碰撞效应研究[J].公路，2015，（02）：70-75.
[5]李小军，贺秋梅，亓兴军.地震动速度脉冲对大跨斜拉桥减震控制的影响[J].应用基础与工程科学学报，2012，（02）：272-285.
论文作者:王标1,程振国2
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/14
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