第四讲-2 多点地震动输入.pdf

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1、第四讲结构地震反应的多点地震动输入（MultipleSupportExcitation）结构的多点输入问题分析近些年来，地震造成的桥梁结构的破坏不乏其例。大量城市高速道路和高速铁路桥梁工程断墩落梁，倾斜坍毁，致使交通几乎全部中断。这也说明了仅研究桥梁结构的一致输入是不够的，必须考虑桥梁结构的地震多点多维输入问题。因为地震地面运动是一个复杂的空间—时间过程，而现在工程中常用的反应谱法和直接动力法共有的一个基本假定就是结构的各支点具有相同的地震动，这一假定对于一般的建筑物结构是可以接受的，因为这类建筑物的平面尺寸较小，沿基底各点的地面运动的空间变化可能性很小。但是对于平面

2、尺寸较大的结构，如各种管线、大跨桥梁、大坝等结构，忽略地面运动的空间变化可能给结构的反应计算结果带来较大的误差。因此对于平面尺寸大的结构，必须研究合理的抗震设计方法，结构的多点输入研究正是针对这样的实际要求而提出的。地震发生时，从震源释放出来的能量是以波的形式传至地表，引起地面振动。对于平面尺寸较大的结构，各支点的地震动是不同的，产生变化的原因大致有三点。（1）行波效应(Wavepassageeffect)，由在不同站点处地震波到达时间的差异所产生；结构物的平面尺寸和地震动的波长相比可能在一个数量级上，甚至比地震波的波长还要长，地震波到达各支点的时间不同，这就使得各支

3、点的地震动产生了时间滞后（相位差）；例子：长桥（苏通大桥跨径1088米；杭州湾跨海大桥全长36公里）和地下管线。（2）部分相干效应(Incoherencyeffect)：由于地球介质的不均匀性,地震波在介质中的反射与折射，使地震波在其传播方向上的不同位置迭加方式不同，即部分相干效应；（3）局部场地效应((LocalSiteeffect)：各支点处的局部土壤结构不同,使由基岩到地表的地震波中各种频率成分的含量不同，即局部场地效应;S（1）行波效应(Wavepassageeffect)；（2）部分相干效应(Incoherencyeffect)；（3）局部场地效应((Loc

4、alSiteeffect);不管是哪种因素的影响，地震动的空间变化是客观存在的，这一点已被强震观测结果所证实。多点输入的研究内容就是在结构抗震计算中如何计入地震动的空间变化特征。因此，对于大型结构只考虑单维或一致激励是不够的，而应考虑多点多维地震输入对其结构反应的影响。合理的地震波输入方法考虑地震动场点的振动相关性(多点激励方式)，同时考虑由于地震动的波传播特性使得其到达各桥墩基础有一定的时间差(行波效应)的方式进行地震反应分析。多点输入结构反应和单一输入一样，目前分为确定性分析方法和随机分析方法，确定性分析方法又可以分为反应谱法、直接积分法和随机振动法。结构特别是大

5、跨度结构的地震响应分析应包括的主要研究内容见下图。现简要介绍目前多点结构分析中的几种分析方法。地震作用动力时程反应分析几何非线性数值计算初步分析三维线性三维非线性材料非线性反应谱方法地震波输入模土-结相互作用结构控制与健康诊断型1,反应谱法反应谱法是现行结构工程抗震规范普遍采用的估算等效地震作用的方法，这种方法能方便地给出结构较为合理的最大反应，在工程设计中应用最为广泛。反应谱法的一个基本假定就是地震地面运动是一致的，因此反应谱法原则上不能直接用于求解多支座结构具有不同支座运动时的地震作用。其基本上适应于结构非线性反应不大，地震输入变异性较小的结构的地震作用估算。由于

6、大跨度结构具有较强的空间振型耦合和结构的非线性效应，以及地震荷载输入在这种情况下存在的空间与时间变异，因此对大跨度结构地震响应的估计存在较大的误差，且无法给出结构的时域响应。20世纪80年代后，采用反应谱分析大跨度结构的地震作用，已不多见。但由于反应谱法很受设计人员欢迎，所以一些学者开始研究将反应谱法推广到多点输入这一研究领域。小坪清真等利用反应谱法计算行进地震波作用下的桥梁结构反应时，没有假定各支点的地震动为一致，推导出了考虑地震波为行进波时的反应谱计算方法。用反应谱法求解结构多点输入反应的一个关键问题是组合问题。2,直接积分法（动力时程反应分析）动力时程反应分析可

7、以描述结构在动力荷载作用下的结构反应情况，对大跨度结构来说主要分为结构建模和结构输入两大部分。近年来，随着计算手段的完善和具有较强分析模拟能力软件的开发与利用，结构特别是大跨度结构的地震反应分析有了深入、全面的发展，较之20世纪80年代以前主要以SAP或ADINA软件为蓝本的分析更推进了一步，出现了一些国内外通用的计算软件。目前各国学者对结构动力时程反应分析，在结构建模方面多采用三维动力分析模型，并着重对地震波输入模型的影响效果进行深入的探讨。地震波在介质中传播对大跨度结构地震时程反应影响的有效模拟是近年来在大跨度结构抗震研究的热点之一，其中尤以多点