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长周期随机地震作用下超大跨斜拉桥的行波效应分析
摘要
本文研究了长周期随机地震作用下超大跨斜拉桥的行波效应分析。通过对斜拉桥的结构和地震特性进行分析，提出了考虑行波效应的地震响应计算方法，并运用该方法对超大跨斜拉桥进行分析。结果表明，在地震频率范围内，行波效应对超大跨斜拉桥的地震响应有较大影响，需要在设计和施工中充分考虑行波效应。
关键词：斜拉桥；长周期随机地震；行波效应；地震响应分析
1.引言
超大跨斜拉桥是公路、铁路或公路与铁路联合跨越海峡、深谷和城市道路的重要桥梁形式之一。由于其结构体量巨大，施工和运行环境复杂，地震是影响其安全稳定性的重要因素之一。在地震频率范围内，地震波以行波的形式传播，由于土地介质和结构特性的差异，在桥梁结构中会产生复杂的反射、透射和干扰等行波效应，影响结构的动力响应。
针对超大跨斜拉桥在长周期随机地震作用下的行波效应问题，本文采用模态分析法和有限元数值计算方法，考虑土地介质和结构特性对行波效应的影响，对超大跨斜拉桥进行地震响应分析，并分析行波效应对结构地震响应的影响。通过比较分析，得出超大跨斜拉桥在地震频率范围内应充分考虑行波效应的结论。
2.斜拉桥结构和地震特性分析
超大跨斜拉桥是一种由桥塔、斜拉索和桥面板等构成的桥梁形式，如图1所示。在地震作用下，斜拉桥结构的地震响应取决于结构的固有频率、阻尼比和质量阻尼比等特性参数。此外，由于地震波以行波的形式传播，土地介质和结构特性的变化也会对地震响应产生重要影响。
图1超大跨斜拉桥示意图
在斜拉桥地震响应分析中，常用的方法是模态分析法和时程分析法。模态分析法通过计算结构的模态频率、振型和阻尼比等信息，得出结构的动力响应。时程分析法则直接考虑地震波的作用，通过数值模拟计算结构在地震时刻的动力响应。
在考虑行波效应的地震响应分析中，还需要考虑土地介质和结构特性的影响。土地介质的特性包括波速、密度、模量等参数，其中土壤间的交互作用、非线性特性等也需要考虑。结构特性主要包括梁、柱、板等构件的材料、几何尺寸和支座刚度等参数。
3.考虑行波效应的地震响应计算方法
为考虑行波效应对超大跨斜拉桥地震响应的影响，在计算时将地震波作为行波进行处理。基于波动方程和有限元数值计算方法，建立超大跨斜拉桥-土体-地震波的计算模型，并考虑土体的特性对地震波的传播路径及波动形态的影响。具体计算流程如下：
（1）按照地震波传播方向和结构本身的特点划分有限元离散模型，确定结构的初始状态和初始条件，并建立结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。
（2）建立地震波数学模型，并根据地震波在土体中传播规律计算出其传播速度和波动形态。考虑地震波的行波特性，将其作用于斜拉桥结构的表面或内部。
（3）将斜拉桥-土体-地震波-边界条件的模型进行数值计算，得出结构的动力响应。通过比较分析，探讨行波效应对结构的地震响应的影响。
4.分析结果
采用上述计算方法，对一座超大跨斜拉桥进行地震响应分析。假设地震波沿斜拉索垂直方向传播，地震频率范围为0.1Hz-0.5Hz，采用有限元软件进行数值计算。在计算时，考虑了土地介质和结构的特性对行波效应的影响，如图2所示。
图2超大跨斜拉桥地震响应计算结果
由图2可知，在地震频率范围内，行波效应对斜拉桥的地震响应有较大影响，表现为峰值加速度、峰值位移和动力反应谱的振幅增大。特别是在结构的主要模态频率上，行波效应更加明显。此外，由于超大跨斜拉桥具有较大的自由振荡周期和阻尼比，行波效应对其地震响应的影响更加显著。
5.结论
本文在考虑行波效应的地震响应计算方法基础上，对超大跨斜拉桥进行了地震响应分析，并通过比较分析得出以下结论：
（1）在地震频率范围内，行波效应对斜拉桥的地震响应有较大影响，需要在设计和施工中充分考虑行波效应。
（2）超大跨斜拉桥具有较大的自由振荡周期和阻尼比，行波效应对其地震响应的影响更加显著。
（3）根据行波效应的影响特点，可采取合适的结构措施，提高超大跨斜拉桥的地震抗震能力。
综上，对超大跨斜拉桥进行行波效应分析具有重要意义，可以为其设计和施工提供参考和指导，保障其安全可靠地运行。