超大跨長(zhǎng)距離輸煤棧橋考慮地震動(dòng)行波效應(yīng)影響分析研究

李正坤,李曉文,孫曉嶺,程元虎

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055)

輸煤棧橋是火力發(fā)電廠重要組成部分,近年來(lái)隨著火電廠裝機(jī)容量的增大,廠址的擴(kuò)建,以及地理?xiàng)l件等限制,需要建設(shè)大跨度長(zhǎng)距離輸煤棧橋?yàn)樯a(chǎn)服務(wù)。以往棧橋由于展步尺寸較小,地震動(dòng)的空間變化可以認(rèn)為很小[1],抗震設(shè)計(jì)中采用一直激勵(lì)反應(yīng)譜法被認(rèn)為是安全可行的。而對(duì)于大跨度長(zhǎng)距離棧橋結(jié)構(gòu),考慮到地震的傳播路徑、傳播場(chǎng)地并非是理想均勻介質(zhì),導(dǎo)致實(shí)際地震動(dòng)的時(shí)空分布并非一致,結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析需要考慮地震動(dòng)空間變異性的影響[2-4]。Housner和Aki等學(xué)者很早注意到這一問(wèn)題,而Bogdanoff則率先研究了行波效應(yīng)對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)的影響[5]。歐洲規(guī)范[6]考慮了地震動(dòng)空間變化性并規(guī)定:當(dāng)橋長(zhǎng)大于200 m且存在地質(zhì)不連續(xù)或明顯的不同地貌或當(dāng)橋梁總長(zhǎng)大于600 m時(shí),無(wú)論何種地質(zhì)條件均應(yīng)考慮地震動(dòng)的空間變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。我國(guó)2008版《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[7]也對(duì)結(jié)構(gòu)多點(diǎn)激勵(lì)問(wèn)題給出了規(guī)定:當(dāng)橋址地質(zhì)不連續(xù)或地形特征可能對(duì)地震動(dòng)分布造成顯著不同以及橋梁總長(zhǎng)超過(guò)600 m時(shí)應(yīng)考慮地震動(dòng)輸入的非一致性,包括行波效應(yīng)、相干效應(yīng)、衰減效應(yīng)和由于場(chǎng)地因素帶來(lái)的差異。

地震動(dòng)空間變化產(chǎn)生的原因[8]主要有3點(diǎn):①各支點(diǎn)的距離與地震波的波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí),各支點(diǎn)間地震動(dòng)產(chǎn)生了時(shí)間滯后(相位差),即行波效應(yīng);②由于地球介質(zhì)的不均勻性,地震波在介質(zhì)中的反射和折射,使地震波在其傳播方向的不同位置上疊加方式不同,由此產(chǎn)生各支點(diǎn)處地震動(dòng)的頻散損失,即頻散效應(yīng);③各支點(diǎn)處的局部土層不同,使由基巖到地表的地震波中各種頻率成分的含量不同,即局部場(chǎng)地效應(yīng)。

棧橋結(jié)構(gòu)其形狀為長(zhǎng)條橋型,行波效應(yīng)對(duì)大跨度棧橋結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響尚在研究當(dāng)中.由于波速是一個(gè)十分重要而又難以確定的量,本文選取了多條地震波,對(duì)其波速進(jìn)行變化后輸入模型中進(jìn)行計(jì)算,對(duì)比不同地震波和不同波速共同作用下的結(jié)構(gòu)作用結(jié)果。在簡(jiǎn)化地震動(dòng)輸入的復(fù)雜性時(shí),這種近似模擬地震動(dòng)空間效應(yīng)的方法也被認(rèn)為是適用的[9]。本文應(yīng)用時(shí)程分析法,重點(diǎn)討論地震動(dòng)行波效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

1 多點(diǎn)激勵(lì)動(dòng)力時(shí)程方程——支座大質(zhì)量法

根據(jù)地震波輸入形式的不同,結(jié)構(gòu)多點(diǎn)激勵(lì)時(shí)程反應(yīng)分析的模型可以分成兩種,位移輸入模型和加速度輸入模型。本文選取加速度輸入模型—大質(zhì)量法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,加速度輸入模型將地面運(yùn)動(dòng)的加速度作為動(dòng)荷載建立動(dòng)力平衡方程,動(dòng)力平衡方程在絕對(duì)坐標(biāo)系下將求出結(jié)構(gòu)總的位移反應(yīng)(包括擬靜力反應(yīng)和動(dòng)力反應(yīng))。

大質(zhì)量法在結(jié)構(gòu)支承處加大質(zhì)量,對(duì)大質(zhì)量塊施加加速度時(shí)程,作用在大質(zhì)量塊的加速度以力的方式傳遞給結(jié)構(gòu),直接得到結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。求得的結(jié)果是結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的絕對(duì)反應(yīng)。通過(guò)大質(zhì)量法得到的結(jié)果是理論的近似值,但認(rèn)為這種近似是滿足工程精度要求的。

2 工程背景與模型建立

為研究行波效應(yīng)對(duì)大跨度輸煤棧橋的影響,本文選取某熱電公司儲(chǔ)煤廠大跨度輸煤棧橋?qū)嶋H工程結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,此棧橋?yàn)殇撹旒堋摴苤Y(jié)構(gòu),鋼棧橋采用空間桁架結(jié)構(gòu),鋼棧橋廊身整體采用方鋼管鋼桁架(端部采用方管鋼框架);除棧橋桁架上下弦水平支撐、橫向次梁和橫桿采用Q235B材料外,棧橋其它構(gòu)件均采用Q345B鋼材。棧橋爬升高度約為8.4 m,爬升角度為0.8°。桿件截面尺寸見(jiàn)表1。結(jié)構(gòu)場(chǎng)地條件如下,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度8度,場(chǎng)地類別為Ⅱ類。場(chǎng)地50 a超越概率10%的地面地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g,設(shè)計(jì)地震分組為第2組。

表1 桿件截面尺寸

由于實(shí)際結(jié)構(gòu)較長(zhǎng),本次研究從實(shí)際結(jié)構(gòu)中選取棧橋中部10跨每跨60 m等跨徑建立ANSYS有限元模型,棧橋鋼構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧狟EAM188進(jìn)行模擬,棧橋荷載采用質(zhì)量單元MASS21進(jìn)行模擬。鋼管柱與基礎(chǔ)為剛性聯(lián)接;上部桁架端門架柱底與鋼柱頂采用完全鉸接;橋身桁架部分除端門架連接外,橫梁、檁條兩端與弦桿均為鉸接;腹桿,上下弦水平支撐兩端均為鉸接。上弦桿和下弦桿,跨內(nèi)節(jié)點(diǎn)處為連續(xù)剛接,兩端與端門架為鉸接;桁架兩端采用封閉鋼框架保證結(jié)構(gòu)為幾何不變體系。實(shí)際工程中棧橋板簡(jiǎn)支于橫梁上,與弦桿無(wú)連接,對(duì)結(jié)構(gòu)整體振型影響較小,在此忽略其影響,在模型中不予建立,并采用MASS21單元對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行了模擬,結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 棧橋計(jì)算模型

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

對(duì)棧橋進(jìn)行了模態(tài)分析,模態(tài)分析方法選擇子空間迭代法,振型數(shù)量取60階,結(jié)構(gòu)前6階振型及模態(tài)列于表2。

表2 結(jié)構(gòu)前12階振型及模態(tài)

4 一致激勵(lì)與多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)比分析

4.1 一致激勵(lì)作用

一致激勵(lì)采用輸入加速度時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)。由于不同加速度時(shí)程曲線對(duì)結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)影響較大,選取多條時(shí)程曲線輸入,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析。地震動(dòng)的主要特性是可以通過(guò)地震動(dòng)的幅值、頻譜和持續(xù)時(shí)間3個(gè)基本要素來(lái)反映的,本次選取8度Ⅱ類場(chǎng)地實(shí)測(cè)的兩條天然波LWD-DELAMO BLVD波、CPC-TOPANGA CANYON BLVD波與ELCENTRO波改造而來(lái)的人工波,加速度時(shí)程曲線最大值按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中表5.1.2-2進(jìn)行調(diào)整,按照棧橋縱向施加。荷載組合采用《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.4.1條中規(guī)定的組合。

4.1.1 地震波的調(diào)整

LWD-DELAMO BLVD南北波修正后水平加速度峰值為70 cm/s2,按 8度區(qū)、Ⅱ類場(chǎng)地,阻尼比為0.035定義參數(shù),時(shí)間間隔0.02 s,地震持續(xù)時(shí)間35.44 s,輸出的步長(zhǎng)為0.02 s,共輸出1 772步,調(diào)整后的地震波見(jiàn)圖2。

CPC-TOPANGA CANYON BLVD南北波修正后水平加速度峰值為70 cm/s2,按8度區(qū)、Ⅱ類場(chǎng)地,阻尼比為0.035定義參數(shù),時(shí)間間隔0.02 s,地震持續(xù)時(shí)間55.58 s,輸出的步長(zhǎng)為0.02 s,共輸出2 779步,調(diào)整后的地震波見(jiàn)圖3。

人工波由EL-CENTRO東西波改造而成,最終修正后水平加速度峰值為70 cm/s2,按8度區(qū)、Ⅱ類場(chǎng)地,阻尼比為0.035定義參數(shù),時(shí)間間隔0.02 s,地震持續(xù)時(shí)間28.28 s,輸出的步長(zhǎng)為0.02 s,共輸出1 414步。調(diào)整后的地震波見(jiàn)圖4。

4.1.2 一致激勵(lì)下時(shí)程分析結(jié)果

選取結(jié)構(gòu)在不同時(shí)程波作用下的各跨柱底應(yīng)力、柱頂位移、跨中豎向位移和跨中桁架上弦桿內(nèi)力為主要控制指標(biāo)(方向選取順橋向),作為對(duì)比結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)分析的基本參數(shù)見(jiàn)圖5～圖16。圖中柱底應(yīng)力、柱頂位移、跨中豎向位移和跨中桁架上弦桿內(nèi)力幅值均為各跨計(jì)算結(jié)果均值。

圖2 調(diào)整后LWD-DELAMO BLVD波(南北)

圖3 調(diào)整后的CPC-TOPANGA CANYON BLVD波

圖4 調(diào)整后的人工波(EL-CENTRO波改造)

圖5 LWD-DELAMO BLVD波一致激勵(lì)下柱底X向(順橋向)剪力

圖6 LWD-DELAMO BLVD波一致激勵(lì)下柱頂位移(順橋向)

圖7 LWD-DELAMO BLVD波一致激勵(lì)下跨中豎向位移對(duì)比(順橋向)

圖8 LWD-DELAMO BLVD波一致激勵(lì)下跨中桁架上弦桿應(yīng)力對(duì)比(順橋向)

圖9 CPC-TOPANGA波一致激勵(lì)下柱底X向(順橋向)剪力

圖10 CPC-TOPANGA波一致激勵(lì)下柱頂位移(順橋向)

圖11 CPC-TOPANGA波一致激勵(lì)下跨中豎向位移對(duì)比(順橋向)

圖12 CPC-TOPANGA波一致激勵(lì)下跨中桁架上弦桿應(yīng)力對(duì)比(順橋向)

圖13 人工波一致激勵(lì)下柱底X向(順橋向)剪力

圖14 人工波一致激勵(lì)下柱頂位移(順橋向)

圖15 人工波一致激勵(lì)下跨中豎向位移對(duì)比(順橋向)

圖16 人工波一致激勵(lì)下跨中桁架上弦桿應(yīng)力對(duì)比(順橋向)

4.2 非一致激勵(lì)作用

結(jié)構(gòu)多點(diǎn)激勵(lì)采用上面介紹的大質(zhì)量法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸入,假定震源出現(xiàn)在橋位左邊,地震波沿著縱橋向從左至右傳播,在沿橋縱向考慮地震波到達(dá)時(shí)間差。加速度時(shí)程由于地震波傳播波速不同,由此帶來(lái)的結(jié)構(gòu)地震動(dòng)相位差的變化,此種變化對(duì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)產(chǎn)生著相當(dāng)大的影響。這里選取了3條地震波(地震波的選取與一致激勵(lì)相同)和4種不用波速對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施加(地震波波速為300 m/s,500 m/s,1 000 m/s,3 000 m/s)。地震波輸入幅值與一直激勵(lì)相同。

綜合考慮各種相位差帶來(lái)的影響。在多點(diǎn)輸入時(shí)做了如下假定:

(1)在地震動(dòng)過(guò)程中地震動(dòng)的3個(gè)主軸方向保持不變[10],且分別與棧橋的縱軸,橫軸和豎軸重合。

(2)地震動(dòng)傳播方向與棧橋縱軸向重合。

各地震波不同波速計(jì)算的主要控制指標(biāo)選取與一直激勵(lì)相同,并提取出每條地震波不同波速各跨時(shí)程分析結(jié)果中控制指標(biāo)的最大值與一致激勵(lì)進(jìn)行對(duì)比分析,如圖17～圖28。

圖17 LWD波非一致激勵(lì)下波速柱底剪力

圖18 LWD波非一致激勵(lì)下柱頂位移

圖19 LWD波非一致激勵(lì)跨中豎向位移

圖20 LWD波非一致激勵(lì)桁架跨中上弦桿內(nèi)力

圖21 CPC波非一致激勵(lì)下波速柱底剪力

圖22 CPC波非一致激勵(lì)下柱頂位移

圖23 CPC波非一致激勵(lì)跨中豎向位移

圖24 CPC波非一致激勵(lì)桁架跨中上弦桿內(nèi)力

圖25 人工波非一致激勵(lì)下波速柱底剪力

圖26 人工波非一致激勵(lì)下柱頂位移

圖27 人工波非一致激勵(lì)跨中豎向位移

圖28 人工波非一致激勵(lì)桁架跨中上弦桿內(nèi)力

5 結(jié)果分析與討論

(1)地震動(dòng)考慮行波效應(yīng)對(duì)本棧橋的內(nèi)力具有較大影響,考慮行波效應(yīng)后結(jié)構(gòu)內(nèi)力整體減小,當(dāng)波速增加到一定數(shù)值時(shí)(3 000 m/s)僅局部桿件內(nèi)力有所增大(約5%以內(nèi))。由于目前工程設(shè)計(jì)中一般使用一致激勵(lì)輸入,所以通常的設(shè)計(jì)方法對(duì)本棧橋是偏于安全的。

(2)從桿件內(nèi)力變化情況來(lái)看,桁架弦桿內(nèi)力隨著波速的增大而增大,波速為300 m/s時(shí)內(nèi)力最小,波速為3 000 m/s時(shí)內(nèi)力接近一致激勵(lì),柱頂剪力、柱底剪力以及跨中豎向位移亦如此,但與一致激勵(lì)相比,考慮行波效應(yīng)后整體桿件內(nèi)力和主要控制點(diǎn)位移反應(yīng)均減小。

(3)一致激勵(lì)時(shí),內(nèi)力沿全橋?qū)ΨQ分布。考慮行波效應(yīng)時(shí),內(nèi)力同樣沿全橋?qū)ΨQ分布,但顯示出地震波輸入端反應(yīng)較大,地震波結(jié)束端反應(yīng)相對(duì)較小。

(4)不同地震波非一致激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)趨勢(shì)較一致,此種結(jié)構(gòu)對(duì)不同地震波輸入的反應(yīng)不太敏感。(5)以上分析表明,不同地震波在行波激勵(lì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用效應(yīng)較類似,但考慮行波效應(yīng)時(shí)對(duì)此類結(jié)構(gòu)的影響較大,地震響應(yīng)隨著地震波速的變化而顯著變化。考慮行波效應(yīng)后結(jié)構(gòu)的響應(yīng)基本上低于一致激勵(lì)的響應(yīng),但其程度取決于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)跨度大小、截面形式、反應(yīng)類型以及地震動(dòng)變異性的大小等參數(shù),故實(shí)際計(jì)算時(shí)只能針對(duì)具體工程進(jìn)行具體分析,不能一概而論。在沒(méi)有大量結(jié)構(gòu)分析經(jīng)驗(yàn)的情況下,應(yīng)當(dāng)對(duì)大跨超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行行波效應(yīng)反應(yīng)分析或多點(diǎn)輸入地震反應(yīng)分析,這樣做可以使此類結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算更加合理、安全與經(jīng)濟(jì)。

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