考虑行波效应对大跨度桥梁抗震计算的影响

关键词：大跨度桥梁；抗震计算；行波效应；非一致激励；地震响应

引言

大跨度桥梁，如斜拉桥、悬索桥和大跨连续刚构桥，是国家交通网络的咽喉工程，其抗震安全性至关重要。在现行的桥梁抗震设计实践中，广泛采用的一致激励假定极大地简化了计算流程。该假定认为，地震过程中，桥梁结构所有基础支承点承受完全相同的、同步的地震动输入。然而，这一假定的物理基础是地震波传播速度为无穷大，这与实际情况严重不符。

事实上，地震波从震源传出，经过复杂的地层介质，以有限的波速传播至地标。对于支承点间距长达数百甚至上千米的大跨度桥梁，地震波传播到各个桥墩和桥台的时间必然存在先后顺序，这种时间滞后现象即为“行波效应”。对于中小跨度桥梁，由于支承间距远小于地震波的典型波长，这种相位差可以忽略。但随着跨度的增大，行波效应的影响变得极为显著，它会激发结构产生与一致激励下完全不同的内力响应和变形模式。国内外多次震害与大量理论研究均表明，忽略行波效应可能严重低估某些关键构件（如桥墩、支座）的内力，从而影响结构安全。因此，系统研究行波效应对大跨度桥梁抗震性能的影响，从而提高大跨结构的安全性具有重大的理论意义和工程价值。

1 行波效应的内涵与分析原理

行波效应的核心是地震输入的时间差。当一列波沿着桥纵向传播时，距离波源最近的桥墩首先开始振动，之后波阵面依次到达后续的各个桥墩。即各个桥墩的运动状态（位移、速度、加速度）是不同的。这种不同步的支承运动，会导致主梁中产生复杂的拉扯和挤压。

在工程分析中，为了模拟这种效应，需要为桥梁的每个支承点输入一组经过时间调整的地震动时程。这个时间调整量等于支承点与参考点之间的距离除以一个假定的波速，这个波速被称为“视波速”。视波速是一个关键参数，它反映了场地土层的特性，其值越小，代表波传播得越慢，各点之间的运动差异就越大，行波效应也就越显著。目前，通常采用时程分析法，并借助大质量法等数值模拟技术，来精确计算行波效应下的结构响应。

2 行波效应对桥梁地震响应的影响

与一致激励模型相比，行波效应对大跨度桥梁地震响应的影响是全面且复杂的，主要体现在以下几个方面：

首先，行波效应会显著改变桥墩的内力分布，导致内力重分布。在一致激励下，结构作为一个整体协调运动，各桥墩的内力分布通常较为均匀或符合某种预期模式。然而，在行波激励下，由于各墩底运动的不同步，桥墩之间会产生相互制约。这种不同步的运动会在桥墩中激发出巨大的附加内力，特别是墩底的弯矩和剪力。大量算例表明，对于连续梁桥或刚构桥，行波效应可能使中墩的墩底弯矩较一致激励结果增大百分之几十，而边墩的内力也可能出现意想不到的增大或减小。这种内力重分布可能使某些原本非控制设计的桥墩成为薄弱环节，若在设计中被忽略，将极其危险。

其次，行波效应会显著增大主梁的轴向响应和梁端位移。一致激励下，主梁主要发生弯曲变形，其轴向力通常很小。而行波效应的本质是支承点的不同步运动，这相当于强迫主梁不断地被拉伸和压缩，从而在主梁中产生巨大的波动轴力，其数值可能比一致激励下高出十倍甚至数十倍。同时，这种不同步的支承运动也会导致主梁两端的相对位移大幅增加，对伸缩缝的构造形式和支座的位移容量提出了极高的要求。若设计预留的位移量不足，极易导致支座损坏、梁体碰撞甚至落梁等灾难性后果。

最后，结构的响应对视波速表现出高度的敏感性。响应的大小和规律并非与波速呈简单的线性关系。在不同的视波速下，结构的振动模态被激发的程度不同，可能会在某些特定的波速下出现响应的峰值。这意味着，抗震分析不能仅凭单一波速值进行判断，而必须考虑视波速的不确定性，进行参数敏感性分析，以包络所有可能的不利情况。

3 结论与工程建议

基于上述分析，可以得出以下主要结论：

行波效应是大跨度桥梁抗震分析中一个不可忽略的关键因素。它打破了一致激励的理想化假定，揭示了地震动空间变异性的重要影响。行波效应通过改变地震输入的相位关系，导致桥梁结构产生复杂的内力重分布和显著的附加位移响应，其影响程度往往远超一致激励的结果。

因此，在工程实践中，继续沿用一致激励模型进行大跨度桥梁的抗震设计和安全评估可能是不充分且危险的。为确保这类重大工程的安全性，提出以下建议：

在进行大跨度桥梁的抗震分析时，必须将行波效应作为基本工况之一，采用时程分析法进行精细化计算。分析中应考虑一系列合理的视波速值，进行参数变异分析，以确保设计能够包络最不利的响应情况。建议在修订相关抗震设计规范时，进一步明确和强化对大跨度桥梁考虑行波效应等空间变异效应的强制性要求，推动抗震设计从“一致”向“非一致”的精细化方向发展，从而更加真实地反映地震作用，保障桥梁结构的抗震安全。

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作者简介：石国庆（1997—），男，助理工程师，研究生，主要从事桥梁设计工作。