哈尔滨四方台斜拉桥是哈尔滨市外环高速公路通过松花江上的一座斜拉桥, 全长1268.86m, 其中主桥长696m, 引桥长572.86m, 总体跨径布置为6×40m (南引桥) +44m (过渡跨) +136m (边跨) +336m (主跨) +136m (边跨) +44m (过渡跨) +8×40m (南引桥) 。主桥采用双塔双索面半漂浮体系结合梁斜拉桥, 主桥全宽33.2m。
主梁截面以两工字钢边梁肋、横梁及中间小横梁与混凝土桥面板结合形成组合截面。两工字钢边梁肋间距29.2m。主梁在布索道处梁高为2.2m, 桥梁中心线处梁高为2.47m。桥面板为矩形混凝土实心板, 板厚0.25m。
斜拉索索面为空间扇形, 自下至上向桥外倾斜;塔内拉索虚交点间竖向距离为2.0m, 最上端索距塔顶面4.92m;梁上拉索锚点水平间距12.0m, 1#索锚点距顺桥向塔中心水平距离约15.2m。两座主塔每侧各设13对斜拉索, 全桥斜拉索共计104根。
主塔为门式塔, 设置上下两道横梁, 桥面以上设一道上横梁, 两道横梁将桥塔分为上、中、下塔柱三部分。南塔高110.80m, 北塔高106.10m (塔座以上) 。桥面以上高度均为88.56m, 索塔截面形式为单室类六边形, 顺桥向长7.0m, 横桥向宽5.0m。索塔横梁为空心箱梁, 断面外形尺寸下横梁5.0×3.0m, 上横梁为3.0×3.0m。横梁与塔柱连接处截面扩大, 且设置倒角加强。
根据《中国地震动参数区划图》 (GB18306-2001) 和黑龙江省地震局工程地震研究所的《地震安全性评价报告》, 哈尔滨四方台斜拉桥的桥址处在6度内, 但考虑大桥的重要性, 设计按7度设防。结合本桥场地地质条件, 根据《公路工程抗震设计规范》确定桥址处场地类别为Ⅱ类。
由于地震发生位置的随机性, 因而地震响应分析的计算模型均采用空间有限元分析模式。计算模式的模拟应着重于结构刚度、质量和边界条件的模拟。桥面系采用脊梁模式, 这是目前计算中使用最多的一种模式, 其截面特性按实际截面计算。采用大型有限元程序ANSYS进行计算, 主梁和桥塔均采用空间BEAM4单元, 斜拉索采用空间LINK8单元。
斜拉索考虑由于垂度引起的非线性, 每根索均按照Ernst公式进行弹性模量折减[3]:
Eeq=E/{[ (WL) 2AE/12T3]+1}
式中:Eeq为等效模量;E为缆索材料有效模量;L为缆索水平投影长度;W为缆索单位长度重量;A为缆索横截面面积;T为张力。
桥的边界条件模拟为:主梁于边墩处设纵向自由、竖向约束铰支座, 成桥后全桥成纵向半漂浮体系。
本桥基础虽然是桩基础, 但是均为嵌岩桩且基岩埋置较浅, 其出口刚度很大, 因此为简便起见, 采用塔 (墩) 底固结的方式, 不考虑桩-土-结构的动力相互作用。
如上所述, 可得到如图1所示的哈尔滨四方台斜拉桥的计算模型。全桥模型节点数为353, 单元数为455, 其中, 主塔划分为138个单元, 主梁划分为182个单元, 斜拉索为104个单元。
通过表1及图2可以发现, 本斜拉桥动力特性的特点为:
(1) 本桥的基本周期为6.4952s, 属于长周期, 第一振型为漂浮状, 符合半漂浮体系斜拉桥的特征, 这对减小结构的地震反应是有利的, 但将产生较大的结构位移, 对于这点在设计时应予重视。
(2) 本桥的第二、第三振型为塔的对称、反对称侧弯, 它们对塔横向地震反应贡献最大, 说明本桥塔柱的横向刚度较小。
(3) 在飘浮体系斜拉桥中, 对塔的横向地震反应贡献最大的是以塔的振动为主的振型 (塔的对称横向振动和反对称横向振动) 。它们出现在第十阶左右, 频率值为1.0Hz左右。
3 组合地震反应谱响应分析结果根据前边建立的全桥动力计算模型, 采用《公路工程抗震设计规范》中的Ⅱ类场地加速度反映谱进行结构地震反应分析。由于地震力方向的不确定性, 并考虑到两个互相垂直的水平方向和竖向同时发生地震力的可能性, 应进行正交地震力的组合, 所以本文采用欧洲规范规定, 进行三个方向上的正交地震力组合, 即①Ex+0.3Ey+0.3Ez;②0.3Ex+Ey+0.3Ez;③0.3Ex+0.3Ey+Ez。根据同类型桥梁结构的实测阻尼比, 本桥阻尼比取0.05。计算取前100阶振型进行组合, 按CQC法进行组合。得到了该桥的地震位移和内力响应如图3～图9所示。4 结论本文采用大型有限元分析程序ANSYS对四方台斜拉桥的动力特性及地震响应进行了组合地震反应谱分析, 得出了如下结论: (1) 自振特性表明, 本桥的基本周期为6.4952s, 桥跨结构的纵向漂浮振型为第一阶振型, 频率为0.15396Hz; (2) 主梁在组合地震作用下的内力响应, 总体来说, Ux+0.3Uy+0.3Uz组合作用引起的主梁的轴力响应和竖向剪力响应显著;0.3Ux+Uy+0.3Uz组合作用引起的主梁的横向弯矩响应大于其他组合下的横向弯矩响应;三种组合作用引起的主梁的竖向弯矩响应较显著, 且0.3Ux+0.3Uy+Uz组合作用引起的主梁的竖向弯矩响应要大于其他组合下的竖向弯矩。 (3) 主塔在组合地震作用下的内力响应, 总体来说, 0.3Ux+Uy+0.3Uz组合作用引起的主塔的内力响应较其他组合下的响应显著;桥塔在Ux+0.3Uy+0.3Uz组合下的纵向弯矩反应比其他组合下的反应显著;桥塔在0.3Ux+Uy+0.3Uz组合作用引起的横向弯矩响应、扭矩响应和横桥向剪力响应比其他组合下的反应显著; 0.3Ux+0.3Uy+Uz组合作用引起的主塔的轴力响应大于其他组合下的轴力响应。 (4) 由于地震动力的随机性, 在抗震设计时不但要考虑水平地震作用, 而且还要考虑竖向地震作用, 应进行地震荷载的组合。从组合后的结构响应结果可以看出, 横向和竖向地震分量占有很大的比例, 在某些情况下甚至起控制作用, 因此在实际问题中, 应考虑三向地震荷载的组合, 不能忽略。参考文献[1]龙晓鸿, 李黎, 唐家祥.澳门澳凼第三大桥斜拉桥地震反应分析.世界地震工程, 2005, 3 (1) :81-86.[2]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社, 1997.[3]王策, 刘西拉, 等.大佛寺斜拉桥抗震性能及稳定分析[J].工程力学, 2000, 增刊, 14-23.单点数字地震资料组合处理技术 篇2数字地震记录由于其具有保真度高、动态范围大、频带宽等特点, 使得资料有效信号的频率更高、低频信息丰富、信号不畸变和低频到高频相位保持较好的一致性, 这些都为获得高品质的地震剖面、开展叠前预测与反演以及AVO分析奠定了良好基础。然而与模拟检波器采用野外图形组合接收的方式来压制相干噪声和随机噪音相比, 数字检波器由于单点接收和其本身的特点, 在获得丰富的有效信号同时, 也接收到了大量的干扰噪音, 使得数字地震记录的信噪比明显低于传统模拟采集记录。因此, 应用灵活多变的室内组合技术、叠前噪音衰减技术以及合理的处理流程组织就显得尤为的重要。1地震资料室内组合分析1.1组合方式分析室内组合技术一般情况下, 通过对数字地震数据进行测试分析, 找到合适的组合方式和组合道数, 就可以起到对干扰波进行有效压制, 并在提高信噪比的同时, 极大限度地减少了对有效波高频成分的损失。然而, 在通过处理不同地区 (平原、山地、黄土塬) 的实际数字地震资料发现, 当采集的地震数据存在突出的静校正问题时, 再通过直接在原始单炮上进行组合处理时, 将不会对数据上的各种规则、随机噪声起到有效压制效果, 反而使有效信号被严重衰减, 严重影响了地震叠加剖面的品质, 甚至导致彻底不成像。因此, 这类数据在组合前必须进行相应的静校正处理, 以消除野外静校正或较大的剩余静校正量的影响, 实现对有效波组或目的层波组的无时差处理, 然后再进行组合和后续常规处理, 进而提高资料的信噪比。从图1平原地区的资料可以看出, 在应用野外静校正量前后进行室内组合, 单炮资料 (图1-a、b) 品质差异不大, 应用静校正后的单炮进行组合的记录, 资料的信噪比略有提高, 同相轴连续性略好, 在组合后叠加剖面 (图1-c、d) 同样反映出, 两种组合方式的剖面信噪比没有明显差别。这是因为对于平原地区的资料, 由于数字检波器采集的道距小, 相邻道之间因高差和风化层影响产生的时差小于有效反射波视周期的1/4, 进行室内组合后保证了有效波基本不被削弱, 而干扰波被压制 (特别是随机干扰) , 进而获得了较高的信噪比和分辨率的记录, 所以这类资料适合在原始记录上直接进行组合处理。从图2山区的资料可以看出, 在应用野外静校正量前后进行室内组合, 单炮资料 (图2-a、b、c) 具有明显的差异, 在应用静校正前的单炮进行组合, 有效波同相轴因为存在相位差产生了畸变, 不连续, 有效波组被破坏, 而一些线性相干噪声 (频率比较低) 反而得到了加强, 而在应用静校正后的单炮进行组合, 单炮记录的信噪比提高, 有效波同相轴相对原始资料得到明显加强, 反射波组更加光滑。组合后叠加剖面上 (图2-d、e) , 两种组合方式反应出更大的差异, 未应用静校正量直接组合的剖面, 已经严重不成像, 而加载静校正量进行无时差组合的剖面, 与单道数字叠加剖面相比, 具有更高的信噪比, 波组连续性更好, 分辨率高, 层间信息丰富。因此, 对于山地区资料, 由于相邻道之间相对高差大, 多道组合时甚至出现不同岩性接收的地震记录, 造成道间的时差大, 超过了有效反射波视周期的1/4, 直接组合时不再是同向相干加强, 而是相互抵消, 严重削弱有效波能量, 而进行静校正处理后再适当组合, 使相邻道间时差被减小或消除, 确保有效波组同向相干加强。所以对于山区资料需要进行一次静校正或增加剩余静校正处理后, 再进行组合处理。1.2噪音压制分析干扰波根据其出现的规律可分为规则和随机干扰。规则干扰主要利用波传播方向性差别进行干扰波压制, 而随机干扰需要通过寻找干扰波的“相关半径”, 来进行干扰波压制。目前数字检波器采集的方式主要采用沿线单点铺设, 室内组合也只能线性组合, 这种沿测线的直线组合主要压制不规则干扰波和沿测线方向传播的规则干扰。图3显示, 经过3道线性室内组合处理后, 单炮记录上的高频随机干扰噪音被有效的压制了, 但是低频、规则的干扰波, 不但没有衰减, 反而相干加强了。因为面波的视周期相对于相邻道间的时差更大, 组合没有使面波同相轴反向减弱, 而是同向相关加强。因此, 这类干扰波需要通过面积组合的方式进行方向差异压制, 但在实际资料不具备面积组合条件下, 就需要配合其它的去噪技术对面波这类低频干扰波进行合理衰减。在通过对实际资料进行组合压噪和模块衰减联合去噪的处理过程中发现, 选择数字检波器组合前或后再配合去噪模块对于压制不同类型的噪音具有明显不同的效果, 对于高频随机干扰, 采用先去噪后组合的方式比先组合后去噪的方式对噪音起到更好的衰减效果, 而低频噪音信号恰恰相反。因为先通过去噪压制了随机噪音, 再组合可以进一步压制随机噪音, 而采用先组合的方式, 随机噪音在通过线性组合被衰减后, 异常振幅值下降, 而依赖于识别异常振幅值的噪音衰减技术, 鉴别噪音的能力自然下降, 无法进行识别和有效压制 (图4) ;低频规则干扰情况则刚好相反, 因为线性组合的方式对其起到相干加强的作用, 先去噪后再组合, 去除的噪音又被重新相干加强, 而组合后再去噪, 线性组合增加了噪音的异常振幅值, 更有利于去噪模块识别, 提高了去噪效果 (图5) 。2结论综合上述分析结果, 数字检波器室内组合处理, 需要根据资料的特点, 选择合适的组合方式, 以减少对有效信号的压制, 获得高品质的成果剖面。对于平原、水网等地区的资料, 地表因素对检波器造成的影响小, 相邻道间有效波产生的旅行时差小, 组合处理可以直接在原始数据上进行, 对信噪比较高的资料, 还可适当减少组合道数, 在获得满意的组合效果同时, 又充分保护了信号的高频信息。对于山区、黄土塬等受地表静校正影响较大的资料, 道间旅行时差大, 需要首先进行静校正处理, 消除道间时差影响, 确保组合后达到对干扰波压制, 有效波增强的效果, 而信噪比很低的资料, 可以通过增加组合道数, 并同时采用变权系数组合方式, 提高信噪比的同时, 降低混波效应的影响, 获得分辨率较高的成像效果。单点数字记录由于采用更高密度的采集方式, 小道距更符合空间采样定理, 噪音信号被充分采样, 更利于实现信号与噪音波场分离。在去噪方式上, 应根据噪音的类型、特点, 选择合理的去噪顺序, 对高频随机干扰波, 应采用先去噪后组合的处理方式, 而对于面波, 线性干扰等规则干扰波, 宜采用先组合再去噪的处理方式, 确保记录上的各种干扰噪音被合理、有效的衰减, 以获得高信噪比、高分辨率的数据成果。参考文献[1]王喜双, 等.全数字地震勘探技术应用效果及展望.中国石油勘探, 2007, 第6期.[2]仲伯军, 等.单点高密度地震资料的信息重构去噪处理方法.地球物理学进展, 2013, 第1期.[3]刘欣欣.高密度地震数据一致性组合叠加处理.中国石油大学硕士学位论文, 2010.5.[4]胡莲莲, 等.关于单点高密度地震数据的室内组合分析.地球物理学进展, 2010, 第6期.地震作用组合 篇3为了探究梁拱组合人行天桥的地震响应特性, 揭示其地震响应机理,以某梁拱组合人行天桥为研究对象,运用Sap2000建立了该人行天桥的空间动力计算模型,采用非线性时程法研究了该人行天桥的地震响应特性以及各种因素对其地震响应的影响规律,得出了一些结论,希望能够为类似人行天桥的设计和加固提供一定参考[5,6]。1地震荷载传递机理以纵向地震荷载为例,图1给出了采用了板式橡胶支座的桥梁地震荷载传递示意图。如图( a) 所示,在较小的地震中,梁体与支座之间的摩擦力抵消了上部结构的全部水平惯性力,支座受力发生弹性变形并将惯性力传递至墩; 如图( b) 所示,在较大的地震中,梁体与支座之间的摩擦力抵消了部分上部结构的水平惯性力,支座发生弹性变形或剪切破坏, 梁与支座发生相对滑动。2工程算例及动力计算模型2.1工程算例某跨越结构由单箱四室钢箱梁和钢板拱组合而成的人行天桥,箱梁跨度为49. 60 m,宽4. 00 m,高0. 65 m ( 不含地袱高度 ) ; 钢拱起拱半径为39. 75 m,矢高5. 68 m,从拱顶向两侧每3. 00 m对称布置截面为30 mm × 300 mm的钢板吊带; 全桥对称设置宽2. 00 m,高0. 40 m,梯度为1: 4的钢箱梁梯道,单侧梯道总长25. 59 m,梯道与跨越结构之间设置伸缩缝; 全桥共设10根直径0. 60 m的混凝土墩,墩顶设置规格为GJZ200 mm × 250 mm × 41 ( CR) mm的板式橡胶支座,其中主墩每墩设置两块,梯墩每墩设置一块。桥跨布置如图2和图3所示。2.2动力计算模型采用杆系单元法,运用Sap2000建立图4所示的梁拱组合结构人行天桥空间动力分析模型。定义纵桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖向为Z轴[7,8]。假定墩和梁都处于弹性范围,采用弹性梁单元模拟。计算模型忽略桩与土的相互作用,将墩底与地面刚接; 以附加线质量考虑活载和二期恒载,以附加集中质量考虑梯道。分析采用瑞利阻尼,阻尼比取固定值3% 。采用图5所示的双线性模型模拟板式橡胶支座,图中K1为板式橡胶支座的水平剪切刚度,K2为屈服后刚度,Fcr为临界屈服荷载。根据《城市桥梁抗震设计规范》,单个支座的水平剪切刚度: 式( 1) 中,G为板式橡胶支座水平剪切模量,一般取1 200 k N / m2; A为剪切面面积,t为支座橡胶层总厚度。临界屈服荷载: 式( 2) 中,μ 为板式橡胶支座与梁、墩接触面的滑动摩阻系数,取0. 10; FN为支座轴向荷载。根据式( 1) 和式( 2) ,本算例单个板式橡胶支座的水平剪 切刚度为2 000 k N/m,屈服荷载 为48. 8 k N。2.3地震动的选取根据《公路桥梁抗震设计细则》: 一般情况下, 公路桥梁可只考虑水平方向地震作用,直线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用,抗震设防烈度为8度和9度的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构以及竖向引起的地震效应很重要时,应同时考虑顺桥向X、横桥向Y和竖向Z的地震作用。 为了探究简支梁人行天桥的地震响应特性,选取表1所示的三条实际强震记录对算例人行天桥进行非线性时程分析。分析考虑9度区罕遇地震,将各记录加速度峰值整到0. 6g[9,10]。 3三维地震响应特性分析以结构的横桥向地震响应为研究对象,通过对不考虑竖向地震作用与考虑竖向地震作用的动力计算模型进行非线性时程分析,详细探讨了背景简支梁人行天桥地震响应特性,得到了一些结论[11,12]。3.1结构位移响应图6和图7分别为该梁拱组合人行天桥在1# 地震波输入下拱顶和跨越结构横向位移时程对比情况,表2为三条地震动作用下拱顶和跨越结构位移峰值响应结果。从1#波作用下的拱顶和跨越结构横向位移响应时程可以看出: 竖向地震对拱顶和跨越结构的横向位移响应有影响,考虑竖向地震作用后,二者均增大。分析表2可知,2#波作用下跨越结构的横向位移响应最大,其中拱顶最大横向位移为111. 4 cm,梁体最大横向位移为109. 4 cm; 不同地震波的竖向地震动对跨越结构的位移响应影响不同,1#波和3#波的竖向地震动使跨越结构的位移响应增大,2#波减小。就具体数值而言,考虑竖向地震动后,1#波和3#波作用下拱顶横向峰值位移平均增大了约5% ,跨越结构横向峰值位移平均增大了约4% ; 2#波作用下拱顶和跨越结构的横向峰值位移均减小了约2% 。 3.2梁墩相对位移响应图8给出了梁墩横向相对位移峰值对比情况。 图9 ~ 图11分别为三条地震动作用下横向相对位响应移时程。结合图8 ~ 图11可以看出: 竖向地震使1#波和3#波作用下梁墩峰值相对位移增大,2 #波作用下减小。不同地震动的竖向地震分量对梁拱组合人行天桥梁墩相对位移响应的影响不同。3.3墩的响应表3给出了墩顶横向峰值位移和墩底横向峰值弯矩的对情况。
根据前边建立的全桥动力计算模型, 采用《公路工程抗震设计规范》中的Ⅱ类场地加速度反映谱进行结构地震反应分析。由于地震力方向的不确定性, 并考虑到两个互相垂直的水平方向和竖向同时发生地震力的可能性, 应进行正交地震力的组合, 所以本文采用欧洲规范规定, 进行三个方向上的正交地震力组合, 即①Ex+0.3Ey+0.3Ez;②0.3Ex+Ey+0.3Ez;③0.3Ex+0.3Ey+Ez。根据同类型桥梁结构的实测阻尼比, 本桥阻尼比取0.05。计算取前100阶振型进行组合, 按CQC法进行组合。得到了该桥的地震位移和内力响应如图3～图9所示。
4 结论本文采用大型有限元分析程序ANSYS对四方台斜拉桥的动力特性及地震响应进行了组合地震反应谱分析, 得出了如下结论: (1) 自振特性表明, 本桥的基本周期为6.4952s, 桥跨结构的纵向漂浮振型为第一阶振型, 频率为0.15396Hz; (2) 主梁在组合地震作用下的内力响应, 总体来说, Ux+0.3Uy+0.3Uz组合作用引起的主梁的轴力响应和竖向剪力响应显著;0.3Ux+Uy+0.3Uz组合作用引起的主梁的横向弯矩响应大于其他组合下的横向弯矩响应;三种组合作用引起的主梁的竖向弯矩响应较显著, 且0.3Ux+0.3Uy+Uz组合作用引起的主梁的竖向弯矩响应要大于其他组合下的竖向弯矩。 (3) 主塔在组合地震作用下的内力响应, 总体来说, 0.3Ux+Uy+0.3Uz组合作用引起的主塔的内力响应较其他组合下的响应显著;桥塔在Ux+0.3Uy+0.3Uz组合下的纵向弯矩反应比其他组合下的反应显著;桥塔在0.3Ux+Uy+0.3Uz组合作用引起的横向弯矩响应、扭矩响应和横桥向剪力响应比其他组合下的反应显著; 0.3Ux+0.3Uy+Uz组合作用引起的主塔的轴力响应大于其他组合下的轴力响应。 (4) 由于地震动力的随机性, 在抗震设计时不但要考虑水平地震作用, 而且还要考虑竖向地震作用, 应进行地震荷载的组合。从组合后的结构响应结果可以看出, 横向和竖向地震分量占有很大的比例, 在某些情况下甚至起控制作用, 因此在实际问题中, 应考虑三向地震荷载的组合, 不能忽略。参考文献[1]龙晓鸿, 李黎, 唐家祥.澳门澳凼第三大桥斜拉桥地震反应分析.世界地震工程, 2005, 3 (1) :81-86.[2]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社, 1997.[3]王策, 刘西拉, 等.大佛寺斜拉桥抗震性能及稳定分析[J].工程力学, 2000, 增刊, 14-23.单点数字地震资料组合处理技术 篇2数字地震记录由于其具有保真度高、动态范围大、频带宽等特点, 使得资料有效信号的频率更高、低频信息丰富、信号不畸变和低频到高频相位保持较好的一致性, 这些都为获得高品质的地震剖面、开展叠前预测与反演以及AVO分析奠定了良好基础。然而与模拟检波器采用野外图形组合接收的方式来压制相干噪声和随机噪音相比, 数字检波器由于单点接收和其本身的特点, 在获得丰富的有效信号同时, 也接收到了大量的干扰噪音, 使得数字地震记录的信噪比明显低于传统模拟采集记录。因此, 应用灵活多变的室内组合技术、叠前噪音衰减技术以及合理的处理流程组织就显得尤为的重要。1地震资料室内组合分析1.1组合方式分析室内组合技术一般情况下, 通过对数字地震数据进行测试分析, 找到合适的组合方式和组合道数, 就可以起到对干扰波进行有效压制, 并在提高信噪比的同时, 极大限度地减少了对有效波高频成分的损失。然而, 在通过处理不同地区 (平原、山地、黄土塬) 的实际数字地震资料发现, 当采集的地震数据存在突出的静校正问题时, 再通过直接在原始单炮上进行组合处理时, 将不会对数据上的各种规则、随机噪声起到有效压制效果, 反而使有效信号被严重衰减, 严重影响了地震叠加剖面的品质, 甚至导致彻底不成像。因此, 这类数据在组合前必须进行相应的静校正处理, 以消除野外静校正或较大的剩余静校正量的影响, 实现对有效波组或目的层波组的无时差处理, 然后再进行组合和后续常规处理, 进而提高资料的信噪比。从图1平原地区的资料可以看出, 在应用野外静校正量前后进行室内组合, 单炮资料 (图1-a、b) 品质差异不大, 应用静校正后的单炮进行组合的记录, 资料的信噪比略有提高, 同相轴连续性略好, 在组合后叠加剖面 (图1-c、d) 同样反映出, 两种组合方式的剖面信噪比没有明显差别。这是因为对于平原地区的资料, 由于数字检波器采集的道距小, 相邻道之间因高差和风化层影响产生的时差小于有效反射波视周期的1/4, 进行室内组合后保证了有效波基本不被削弱, 而干扰波被压制 (特别是随机干扰) , 进而获得了较高的信噪比和分辨率的记录, 所以这类资料适合在原始记录上直接进行组合处理。从图2山区的资料可以看出, 在应用野外静校正量前后进行室内组合, 单炮资料 (图2-a、b、c) 具有明显的差异, 在应用静校正前的单炮进行组合, 有效波同相轴因为存在相位差产生了畸变, 不连续, 有效波组被破坏, 而一些线性相干噪声 (频率比较低) 反而得到了加强, 而在应用静校正后的单炮进行组合, 单炮记录的信噪比提高, 有效波同相轴相对原始资料得到明显加强, 反射波组更加光滑。组合后叠加剖面上 (图2-d、e) , 两种组合方式反应出更大的差异, 未应用静校正量直接组合的剖面, 已经严重不成像, 而加载静校正量进行无时差组合的剖面, 与单道数字叠加剖面相比, 具有更高的信噪比, 波组连续性更好, 分辨率高, 层间信息丰富。因此, 对于山地区资料, 由于相邻道之间相对高差大, 多道组合时甚至出现不同岩性接收的地震记录, 造成道间的时差大, 超过了有效反射波视周期的1/4, 直接组合时不再是同向相干加强, 而是相互抵消, 严重削弱有效波能量, 而进行静校正处理后再适当组合, 使相邻道间时差被减小或消除, 确保有效波组同向相干加强。所以对于山区资料需要进行一次静校正或增加剩余静校正处理后, 再进行组合处理。1.2噪音压制分析干扰波根据其出现的规律可分为规则和随机干扰。规则干扰主要利用波传播方向性差别进行干扰波压制, 而随机干扰需要通过寻找干扰波的“相关半径”, 来进行干扰波压制。目前数字检波器采集的方式主要采用沿线单点铺设, 室内组合也只能线性组合, 这种沿测线的直线组合主要压制不规则干扰波和沿测线方向传播的规则干扰。图3显示, 经过3道线性室内组合处理后, 单炮记录上的高频随机干扰噪音被有效的压制了, 但是低频、规则的干扰波, 不但没有衰减, 反而相干加强了。因为面波的视周期相对于相邻道间的时差更大, 组合没有使面波同相轴反向减弱, 而是同向相关加强。因此, 这类干扰波需要通过面积组合的方式进行方向差异压制, 但在实际资料不具备面积组合条件下, 就需要配合其它的去噪技术对面波这类低频干扰波进行合理衰减。在通过对实际资料进行组合压噪和模块衰减联合去噪的处理过程中发现, 选择数字检波器组合前或后再配合去噪模块对于压制不同类型的噪音具有明显不同的效果, 对于高频随机干扰, 采用先去噪后组合的方式比先组合后去噪的方式对噪音起到更好的衰减效果, 而低频噪音信号恰恰相反。因为先通过去噪压制了随机噪音, 再组合可以进一步压制随机噪音, 而采用先组合的方式, 随机噪音在通过线性组合被衰减后, 异常振幅值下降, 而依赖于识别异常振幅值的噪音衰减技术, 鉴别噪音的能力自然下降, 无法进行识别和有效压制 (图4) ;低频规则干扰情况则刚好相反, 因为线性组合的方式对其起到相干加强的作用, 先去噪后再组合, 去除的噪音又被重新相干加强, 而组合后再去噪, 线性组合增加了噪音的异常振幅值, 更有利于去噪模块识别, 提高了去噪效果 (图5) 。2结论综合上述分析结果, 数字检波器室内组合处理, 需要根据资料的特点, 选择合适的组合方式, 以减少对有效信号的压制, 获得高品质的成果剖面。对于平原、水网等地区的资料, 地表因素对检波器造成的影响小, 相邻道间有效波产生的旅行时差小, 组合处理可以直接在原始数据上进行, 对信噪比较高的资料, 还可适当减少组合道数, 在获得满意的组合效果同时, 又充分保护了信号的高频信息。对于山区、黄土塬等受地表静校正影响较大的资料, 道间旅行时差大, 需要首先进行静校正处理, 消除道间时差影响, 确保组合后达到对干扰波压制, 有效波增强的效果, 而信噪比很低的资料, 可以通过增加组合道数, 并同时采用变权系数组合方式, 提高信噪比的同时, 降低混波效应的影响, 获得分辨率较高的成像效果。单点数字记录由于采用更高密度的采集方式, 小道距更符合空间采样定理, 噪音信号被充分采样, 更利于实现信号与噪音波场分离。在去噪方式上, 应根据噪音的类型、特点, 选择合理的去噪顺序, 对高频随机干扰波, 应采用先去噪后组合的处理方式, 而对于面波, 线性干扰等规则干扰波, 宜采用先组合再去噪的处理方式, 确保记录上的各种干扰噪音被合理、有效的衰减, 以获得高信噪比、高分辨率的数据成果。参考文献[1]王喜双, 等.全数字地震勘探技术应用效果及展望.中国石油勘探, 2007, 第6期.[2]仲伯军, 等.单点高密度地震资料的信息重构去噪处理方法.地球物理学进展, 2013, 第1期.[3]刘欣欣.高密度地震数据一致性组合叠加处理.中国石油大学硕士学位论文, 2010.5.[4]胡莲莲, 等.关于单点高密度地震数据的室内组合分析.地球物理学进展, 2010, 第6期.地震作用组合 篇3为了探究梁拱组合人行天桥的地震响应特性, 揭示其地震响应机理,以某梁拱组合人行天桥为研究对象,运用Sap2000建立了该人行天桥的空间动力计算模型,采用非线性时程法研究了该人行天桥的地震响应特性以及各种因素对其地震响应的影响规律,得出了一些结论,希望能够为类似人行天桥的设计和加固提供一定参考[5,6]。1地震荷载传递机理以纵向地震荷载为例,图1给出了采用了板式橡胶支座的桥梁地震荷载传递示意图。如图( a) 所示,在较小的地震中,梁体与支座之间的摩擦力抵消了上部结构的全部水平惯性力,支座受力发生弹性变形并将惯性力传递至墩; 如图( b) 所示,在较大的地震中,梁体与支座之间的摩擦力抵消了部分上部结构的水平惯性力,支座发生弹性变形或剪切破坏, 梁与支座发生相对滑动。2工程算例及动力计算模型2.1工程算例某跨越结构由单箱四室钢箱梁和钢板拱组合而成的人行天桥,箱梁跨度为49. 60 m,宽4. 00 m,高0. 65 m ( 不含地袱高度 ) ; 钢拱起拱半径为39. 75 m,矢高5. 68 m,从拱顶向两侧每3. 00 m对称布置截面为30 mm × 300 mm的钢板吊带; 全桥对称设置宽2. 00 m,高0. 40 m,梯度为1: 4的钢箱梁梯道,单侧梯道总长25. 59 m,梯道与跨越结构之间设置伸缩缝; 全桥共设10根直径0. 60 m的混凝土墩,墩顶设置规格为GJZ200 mm × 250 mm × 41 ( CR) mm的板式橡胶支座,其中主墩每墩设置两块,梯墩每墩设置一块。桥跨布置如图2和图3所示。2.2动力计算模型采用杆系单元法,运用Sap2000建立图4所示的梁拱组合结构人行天桥空间动力分析模型。定义纵桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖向为Z轴[7,8]。假定墩和梁都处于弹性范围,采用弹性梁单元模拟。计算模型忽略桩与土的相互作用,将墩底与地面刚接; 以附加线质量考虑活载和二期恒载,以附加集中质量考虑梯道。分析采用瑞利阻尼,阻尼比取固定值3% 。采用图5所示的双线性模型模拟板式橡胶支座,图中K1为板式橡胶支座的水平剪切刚度,K2为屈服后刚度,Fcr为临界屈服荷载。根据《城市桥梁抗震设计规范》,单个支座的水平剪切刚度: 式( 1) 中,G为板式橡胶支座水平剪切模量,一般取1 200 k N / m2; A为剪切面面积,t为支座橡胶层总厚度。临界屈服荷载: 式( 2) 中,μ 为板式橡胶支座与梁、墩接触面的滑动摩阻系数,取0. 10; FN为支座轴向荷载。根据式( 1) 和式( 2) ,本算例单个板式橡胶支座的水平剪 切刚度为2 000 k N/m,屈服荷载 为48. 8 k N。2.3地震动的选取根据《公路桥梁抗震设计细则》: 一般情况下, 公路桥梁可只考虑水平方向地震作用,直线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用,抗震设防烈度为8度和9度的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构以及竖向引起的地震效应很重要时,应同时考虑顺桥向X、横桥向Y和竖向Z的地震作用。 为了探究简支梁人行天桥的地震响应特性,选取表1所示的三条实际强震记录对算例人行天桥进行非线性时程分析。分析考虑9度区罕遇地震,将各记录加速度峰值整到0. 6g[9,10]。 3三维地震响应特性分析以结构的横桥向地震响应为研究对象,通过对不考虑竖向地震作用与考虑竖向地震作用的动力计算模型进行非线性时程分析,详细探讨了背景简支梁人行天桥地震响应特性,得到了一些结论[11,12]。3.1结构位移响应图6和图7分别为该梁拱组合人行天桥在1# 地震波输入下拱顶和跨越结构横向位移时程对比情况,表2为三条地震动作用下拱顶和跨越结构位移峰值响应结果。从1#波作用下的拱顶和跨越结构横向位移响应时程可以看出: 竖向地震对拱顶和跨越结构的横向位移响应有影响,考虑竖向地震作用后,二者均增大。分析表2可知,2#波作用下跨越结构的横向位移响应最大,其中拱顶最大横向位移为111. 4 cm,梁体最大横向位移为109. 4 cm; 不同地震波的竖向地震动对跨越结构的位移响应影响不同,1#波和3#波的竖向地震动使跨越结构的位移响应增大,2#波减小。就具体数值而言,考虑竖向地震动后,1#波和3#波作用下拱顶横向峰值位移平均增大了约5% ,跨越结构横向峰值位移平均增大了约4% ; 2#波作用下拱顶和跨越结构的横向峰值位移均减小了约2% 。
本文采用大型有限元分析程序ANSYS对四方台斜拉桥的动力特性及地震响应进行了组合地震反应谱分析, 得出了如下结论:
(1) 自振特性表明, 本桥的基本周期为6.4952s, 桥跨结构的纵向漂浮振型为第一阶振型, 频率为0.15396Hz;
(2) 主梁在组合地震作用下的内力响应, 总体来说, Ux+0.3Uy+0.3Uz组合作用引起的主梁的轴力响应和竖向剪力响应显著;0.3Ux+Uy+0.3Uz组合作用引起的主梁的横向弯矩响应大于其他组合下的横向弯矩响应;三种组合作用引起的主梁的竖向弯矩响应较显著, 且0.3Ux+0.3Uy+Uz组合作用引起的主梁的竖向弯矩响应要大于其他组合下的竖向弯矩。
(3) 主塔在组合地震作用下的内力响应, 总体来说, 0.3Ux+Uy+0.3Uz组合作用引起的主塔的内力响应较其他组合下的响应显著;桥塔在Ux+0.3Uy+0.3Uz组合下的纵向弯矩反应比其他组合下的反应显著;桥塔在0.3Ux+Uy+0.3Uz组合作用引起的横向弯矩响应、扭矩响应和横桥向剪力响应比其他组合下的反应显著; 0.3Ux+0.3Uy+Uz组合作用引起的主塔的轴力响应大于其他组合下的轴力响应。
(4) 由于地震动力的随机性, 在抗震设计时不但要考虑水平地震作用, 而且还要考虑竖向地震作用, 应进行地震荷载的组合。从组合后的结构响应结果可以看出, 横向和竖向地震分量占有很大的比例, 在某些情况下甚至起控制作用, 因此在实际问题中, 应考虑三向地震荷载的组合, 不能忽略。
参考文献[1]龙晓鸿, 李黎, 唐家祥.澳门澳凼第三大桥斜拉桥地震反应分析.世界地震工程, 2005, 3 (1) :81-86.[2]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社, 1997.[3]王策, 刘西拉, 等.大佛寺斜拉桥抗震性能及稳定分析[J].工程力学, 2000, 增刊, 14-23.单点数字地震资料组合处理技术 篇2数字地震记录由于其具有保真度高、动态范围大、频带宽等特点, 使得资料有效信号的频率更高、低频信息丰富、信号不畸变和低频到高频相位保持较好的一致性, 这些都为获得高品质的地震剖面、开展叠前预测与反演以及AVO分析奠定了良好基础。然而与模拟检波器采用野外图形组合接收的方式来压制相干噪声和随机噪音相比, 数字检波器由于单点接收和其本身的特点, 在获得丰富的有效信号同时, 也接收到了大量的干扰噪音, 使得数字地震记录的信噪比明显低于传统模拟采集记录。因此, 应用灵活多变的室内组合技术、叠前噪音衰减技术以及合理的处理流程组织就显得尤为的重要。1地震资料室内组合分析1.1组合方式分析室内组合技术一般情况下, 通过对数字地震数据进行测试分析, 找到合适的组合方式和组合道数, 就可以起到对干扰波进行有效压制, 并在提高信噪比的同时, 极大限度地减少了对有效波高频成分的损失。然而, 在通过处理不同地区 (平原、山地、黄土塬) 的实际数字地震资料发现, 当采集的地震数据存在突出的静校正问题时, 再通过直接在原始单炮上进行组合处理时, 将不会对数据上的各种规则、随机噪声起到有效压制效果, 反而使有效信号被严重衰减, 严重影响了地震叠加剖面的品质, 甚至导致彻底不成像。因此, 这类数据在组合前必须进行相应的静校正处理, 以消除野外静校正或较大的剩余静校正量的影响, 实现对有效波组或目的层波组的无时差处理, 然后再进行组合和后续常规处理, 进而提高资料的信噪比。从图1平原地区的资料可以看出, 在应用野外静校正量前后进行室内组合, 单炮资料 (图1-a、b) 品质差异不大, 应用静校正后的单炮进行组合的记录, 资料的信噪比略有提高, 同相轴连续性略好, 在组合后叠加剖面 (图1-c、d) 同样反映出, 两种组合方式的剖面信噪比没有明显差别。这是因为对于平原地区的资料, 由于数字检波器采集的道距小, 相邻道之间因高差和风化层影响产生的时差小于有效反射波视周期的1/4, 进行室内组合后保证了有效波基本不被削弱, 而干扰波被压制 (特别是随机干扰) , 进而获得了较高的信噪比和分辨率的记录, 所以这类资料适合在原始记录上直接进行组合处理。从图2山区的资料可以看出, 在应用野外静校正量前后进行室内组合, 单炮资料 (图2-a、b、c) 具有明显的差异, 在应用静校正前的单炮进行组合, 有效波同相轴因为存在相位差产生了畸变, 不连续, 有效波组被破坏, 而一些线性相干噪声 (频率比较低) 反而得到了加强, 而在应用静校正后的单炮进行组合, 单炮记录的信噪比提高, 有效波同相轴相对原始资料得到明显加强, 反射波组更加光滑。组合后叠加剖面上 (图2-d、e) , 两种组合方式反应出更大的差异, 未应用静校正量直接组合的剖面, 已经严重不成像, 而加载静校正量进行无时差组合的剖面, 与单道数字叠加剖面相比, 具有更高的信噪比, 波组连续性更好, 分辨率高, 层间信息丰富。因此, 对于山地区资料, 由于相邻道之间相对高差大, 多道组合时甚至出现不同岩性接收的地震记录, 造成道间的时差大, 超过了有效反射波视周期的1/4, 直接组合时不再是同向相干加强, 而是相互抵消, 严重削弱有效波能量, 而进行静校正处理后再适当组合, 使相邻道间时差被减小或消除, 确保有效波组同向相干加强。所以对于山区资料需要进行一次静校正或增加剩余静校正处理后, 再进行组合处理。1.2噪音压制分析干扰波根据其出现的规律可分为规则和随机干扰。规则干扰主要利用波传播方向性差别进行干扰波压制, 而随机干扰需要通过寻找干扰波的“相关半径”, 来进行干扰波压制。目前数字检波器采集的方式主要采用沿线单点铺设, 室内组合也只能线性组合, 这种沿测线的直线组合主要压制不规则干扰波和沿测线方向传播的规则干扰。图3显示, 经过3道线性室内组合处理后, 单炮记录上的高频随机干扰噪音被有效的压制了, 但是低频、规则的干扰波, 不但没有衰减, 反而相干加强了。因为面波的视周期相对于相邻道间的时差更大, 组合没有使面波同相轴反向减弱, 而是同向相关加强。因此, 这类干扰波需要通过面积组合的方式进行方向差异压制, 但在实际资料不具备面积组合条件下, 就需要配合其它的去噪技术对面波这类低频干扰波进行合理衰减。在通过对实际资料进行组合压噪和模块衰减联合去噪的处理过程中发现, 选择数字检波器组合前或后再配合去噪模块对于压制不同类型的噪音具有明显不同的效果, 对于高频随机干扰, 采用先去噪后组合的方式比先组合后去噪的方式对噪音起到更好的衰减效果, 而低频噪音信号恰恰相反。因为先通过去噪压制了随机噪音, 再组合可以进一步压制随机噪音, 而采用先组合的方式, 随机噪音在通过线性组合被衰减后, 异常振幅值下降, 而依赖于识别异常振幅值的噪音衰减技术, 鉴别噪音的能力自然下降, 无法进行识别和有效压制 (图4) ;低频规则干扰情况则刚好相反, 因为线性组合的方式对其起到相干加强的作用, 先去噪后再组合, 去除的噪音又被重新相干加强, 而组合后再去噪, 线性组合增加了噪音的异常振幅值, 更有利于去噪模块识别, 提高了去噪效果 (图5) 。2结论综合上述分析结果, 数字检波器室内组合处理, 需要根据资料的特点, 选择合适的组合方式, 以减少对有效信号的压制, 获得高品质的成果剖面。对于平原、水网等地区的资料, 地表因素对检波器造成的影响小, 相邻道间有效波产生的旅行时差小, 组合处理可以直接在原始数据上进行, 对信噪比较高的资料, 还可适当减少组合道数, 在获得满意的组合效果同时, 又充分保护了信号的高频信息。对于山区、黄土塬等受地表静校正影响较大的资料, 道间旅行时差大, 需要首先进行静校正处理, 消除道间时差影响, 确保组合后达到对干扰波压制, 有效波增强的效果, 而信噪比很低的资料, 可以通过增加组合道数, 并同时采用变权系数组合方式, 提高信噪比的同时, 降低混波效应的影响, 获得分辨率较高的成像效果。单点数字记录由于采用更高密度的采集方式, 小道距更符合空间采样定理, 噪音信号被充分采样, 更利于实现信号与噪音波场分离。在去噪方式上, 应根据噪音的类型、特点, 选择合理的去噪顺序, 对高频随机干扰波, 应采用先去噪后组合的处理方式, 而对于面波, 线性干扰等规则干扰波, 宜采用先组合再去噪的处理方式, 确保记录上的各种干扰噪音被合理、有效的衰减, 以获得高信噪比、高分辨率的数据成果。参考文献[1]王喜双, 等.全数字地震勘探技术应用效果及展望.中国石油勘探, 2007, 第6期.[2]仲伯军, 等.单点高密度地震资料的信息重构去噪处理方法.地球物理学进展, 2013, 第1期.[3]刘欣欣.高密度地震数据一致性组合叠加处理.中国石油大学硕士学位论文, 2010.5.[4]胡莲莲, 等.关于单点高密度地震数据的室内组合分析.地球物理学进展, 2010, 第6期.地震作用组合 篇3为了探究梁拱组合人行天桥的地震响应特性, 揭示其地震响应机理,以某梁拱组合人行天桥为研究对象,运用Sap2000建立了该人行天桥的空间动力计算模型,采用非线性时程法研究了该人行天桥的地震响应特性以及各种因素对其地震响应的影响规律,得出了一些结论,希望能够为类似人行天桥的设计和加固提供一定参考[5,6]。1地震荷载传递机理以纵向地震荷载为例,图1给出了采用了板式橡胶支座的桥梁地震荷载传递示意图。如图( a) 所示,在较小的地震中,梁体与支座之间的摩擦力抵消了上部结构的全部水平惯性力,支座受力发生弹性变形并将惯性力传递至墩; 如图( b) 所示,在较大的地震中,梁体与支座之间的摩擦力抵消了部分上部结构的水平惯性力,支座发生弹性变形或剪切破坏, 梁与支座发生相对滑动。2工程算例及动力计算模型2.1工程算例某跨越结构由单箱四室钢箱梁和钢板拱组合而成的人行天桥,箱梁跨度为49. 60 m,宽4. 00 m,高0. 65 m ( 不含地袱高度 ) ; 钢拱起拱半径为39. 75 m,矢高5. 68 m,从拱顶向两侧每3. 00 m对称布置截面为30 mm × 300 mm的钢板吊带; 全桥对称设置宽2. 00 m,高0. 40 m,梯度为1: 4的钢箱梁梯道,单侧梯道总长25. 59 m,梯道与跨越结构之间设置伸缩缝; 全桥共设10根直径0. 60 m的混凝土墩,墩顶设置规格为GJZ200 mm × 250 mm × 41 ( CR) mm的板式橡胶支座,其中主墩每墩设置两块,梯墩每墩设置一块。桥跨布置如图2和图3所示。2.2动力计算模型采用杆系单元法,运用Sap2000建立图4所示的梁拱组合结构人行天桥空间动力分析模型。定义纵桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖向为Z轴[7,8]。假定墩和梁都处于弹性范围,采用弹性梁单元模拟。计算模型忽略桩与土的相互作用,将墩底与地面刚接; 以附加线质量考虑活载和二期恒载,以附加集中质量考虑梯道。分析采用瑞利阻尼,阻尼比取固定值3% 。采用图5所示的双线性模型模拟板式橡胶支座,图中K1为板式橡胶支座的水平剪切刚度,K2为屈服后刚度,Fcr为临界屈服荷载。根据《城市桥梁抗震设计规范》,单个支座的水平剪切刚度: 式( 1) 中,G为板式橡胶支座水平剪切模量,一般取1 200 k N / m2; A为剪切面面积,t为支座橡胶层总厚度。临界屈服荷载: 式( 2) 中,μ 为板式橡胶支座与梁、墩接触面的滑动摩阻系数,取0. 10; FN为支座轴向荷载。根据式( 1) 和式( 2) ,本算例单个板式橡胶支座的水平剪 切刚度为2 000 k N/m,屈服荷载 为48. 8 k N。2.3地震动的选取根据《公路桥梁抗震设计细则》: 一般情况下, 公路桥梁可只考虑水平方向地震作用,直线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用,抗震设防烈度为8度和9度的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构以及竖向引起的地震效应很重要时,应同时考虑顺桥向X、横桥向Y和竖向Z的地震作用。 为了探究简支梁人行天桥的地震响应特性,选取表1所示的三条实际强震记录对算例人行天桥进行非线性时程分析。分析考虑9度区罕遇地震,将各记录加速度峰值整到0. 6g[9,10]。
[1]龙晓鸿, 李黎, 唐家祥.澳门澳凼第三大桥斜拉桥地震反应分析.世界地震工程, 2005, 3 (1) :81-86.
[2]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社, 1997.
[3]王策, 刘西拉, 等.大佛寺斜拉桥抗震性能及稳定分析[J].工程力学, 2000, 增刊, 14-23.
数字地震记录由于其具有保真度高、动态范围大、频带宽等特点, 使得资料有效信号的频率更高、低频信息丰富、信号不畸变和低频到高频相位保持较好的一致性, 这些都为获得高品质的地震剖面、开展叠前预测与反演以及AVO分析奠定了良好基础。然而与模拟检波器采用野外图形组合接收的方式来压制相干噪声和随机噪音相比, 数字检波器由于单点接收和其本身的特点, 在获得丰富的有效信号同时, 也接收到了大量的干扰噪音, 使得数字地震记录的信噪比明显低于传统模拟采集记录。因此, 应用灵活多变的室内组合技术、叠前噪音衰减技术以及合理的处理流程组织就显得尤为的重要。
1地震资料室内组合分析
1.1组合方式分析
室内组合技术一般情况下, 通过对数字地震数据进行测试分析, 找到合适的组合方式和组合道数, 就可以起到对干扰波进行有效压制, 并在提高信噪比的同时, 极大限度地减少了对有效波高频成分的损失。然而, 在通过处理不同地区 (平原、山地、黄土塬) 的实际数字地震资料发现, 当采集的地震数据存在突出的静校正问题时, 再通过直接在原始单炮上进行组合处理时, 将不会对数据上的各种规则、随机噪声起到有效压制效果, 反而使有效信号被严重衰减, 严重影响了地震叠加剖面的品质, 甚至导致彻底不成像。
因此, 这类数据在组合前必须进行相应的静校正处理, 以消除野外静校正或较大的剩余静校正量的影响, 实现对有效波组或目的层波组的无时差处理, 然后再进行组合和后续常规处理, 进而提高资料的信噪比。
从图1平原地区的资料可以看出, 在应用野外静校正量前后进行室内组合, 单炮资料 (图1-a、b) 品质差异不大, 应用静校正后的单炮进行组合的记录, 资料的信噪比略有提高, 同相轴连续性略好, 在组合后叠加剖面 (图1-c、d) 同样反映出, 两种组合方式的剖面信噪比没有明显差别。这是因为对于平原地区的资料, 由于数字检波器采集的道距小, 相邻道之间因高差和风化层影响产生的时差小于有效反射波视周期的1/4, 进行室内组合后保证了有效波基本不被削弱, 而干扰波被压制 (特别是随机干扰) , 进而获得了较高的信噪比和分辨率的记录, 所以这类资料适合在原始记录上直接进行组合处理。
从图2山区的资料可以看出, 在应用野外静校正量前后进行室内组合, 单炮资料 (图2-a、b、c) 具有明显的差异, 在应用静校正前的单炮进行组合, 有效波同相轴因为存在相位差产生了畸变, 不连续, 有效波组被破坏, 而一些线性相干噪声 (频率比较低) 反而得到了加强, 而在应用静校正后的单炮进行组合, 单炮记录的信噪比提高, 有效波同相轴相对原始资料得到明显加强, 反射波组更加光滑。组合后叠加剖面上 (图2-d、e) , 两种组合方式反应出更大的差异, 未应用静校正量直接组合的剖面, 已经严重不成像, 而加载静校正量进行无时差组合的剖面, 与单道数字叠加剖面相比, 具有更高的信噪比, 波组连续性更好, 分辨率高, 层间信息丰富。
因此, 对于山地区资料, 由于相邻道之间相对高差大, 多道组合时甚至出现不同岩性接收的地震记录, 造成道间的时差大, 超过了有效反射波视周期的1/4, 直接组合时不再是同向相干加强, 而是相互抵消, 严重削弱有效波能量, 而进行静校正处理后再适当组合, 使相邻道间时差被减小或消除, 确保有效波组同向相干加强。所以对于山区资料需要进行一次静校正或增加剩余静校正处理后, 再进行组合处理。
1.2噪音压制分析
干扰波根据其出现的规律可分为规则和随机干扰。规则干扰主要利用波传播方向性差别进行干扰波压制, 而随机干扰需要通过寻找干扰波的“相关半径”, 来进行干扰波压制。目前数字检波器采集的方式主要采用沿线单点铺设, 室内组合也只能线性组合, 这种沿测线的直线组合主要压制不规则干扰波和沿测线方向传播的规则干扰。
图3显示, 经过3道线性室内组合处理后, 单炮记录上的高频随机干扰噪音被有效的压制了, 但是低频、规则的干扰波, 不但没有衰减, 反而相干加强了。因为面波的视周期相对于相邻道间的时差更大, 组合没有使面波同相轴反向减弱, 而是同向相关加强。因此, 这类干扰波需要通过面积组合的方式进行方向差异压制, 但在实际资料不具备面积组合条件下, 就需要配合其它的去噪技术对面波这类低频干扰波进行合理衰减。
在通过对实际资料进行组合压噪和模块衰减联合去噪的处理过程中发现, 选择数字检波器组合前或后再配合去噪模块对于压制不同类型的噪音具有明显不同的效果, 对于高频随机干扰, 采用先去噪后组合的方式比先组合后去噪的方式对噪音起到更好的衰减效果, 而低频噪音信号恰恰相反。因为先通过去噪压制了随机噪音, 再组合可以进一步压制随机噪音, 而采用先组合的方式, 随机噪音在通过线性组合被衰减后, 异常振幅值下降, 而依赖于识别异常振幅值的噪音衰减技术, 鉴别噪音的能力自然下降, 无法进行识别和有效压制 (图4) ;低频规则干扰情况则刚好相反, 因为线性组合的方式对其起到相干加强的作用, 先去噪后再组合, 去除的噪音又被重新相干加强, 而组合后再去噪, 线性组合增加了噪音的异常振幅值, 更有利于去噪模块识别, 提高了去噪效果 (图5) 。
2结论
综合上述分析结果, 数字检波器室内组合处理, 需要根据资料的特点, 选择合适的组合方式, 以减少对有效信号的压制, 获得高品质的成果剖面。对于平原、水网等地区的资料, 地表因素对检波器造成的影响小, 相邻道间有效波产生的旅行时差小, 组合处理可以直接在原始数据上进行, 对信噪比较高的资料, 还可适当减少组合道数, 在获得满意的组合效果同时, 又充分保护了信号的高频信息。对于山区、黄土塬等受地表静校正影响较大的资料, 道间旅行时差大, 需要首先进行静校正处理, 消除道间时差影响, 确保组合后达到对干扰波压制, 有效波增强的效果, 而信噪比很低的资料, 可以通过增加组合道数, 并同时采用变权系数组合方式, 提高信噪比的同时, 降低混波效应的影响, 获得分辨率较高的成像效果。
单点数字记录由于采用更高密度的采集方式, 小道距更符合空间采样定理, 噪音信号被充分采样, 更利于实现信号与噪音波场分离。在去噪方式上, 应根据噪音的类型、特点, 选择合理的去噪顺序, 对高频随机干扰波, 应采用先去噪后组合的处理方式, 而对于面波, 线性干扰等规则干扰波, 宜采用先组合再去噪的处理方式, 确保记录上的各种干扰噪音被合理、有效的衰减, 以获得高信噪比、高分辨率的数据成果。
参考文献
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为了探究梁拱组合人行天桥的地震响应特性, 揭示其地震响应机理,以某梁拱组合人行天桥为研究对象,运用Sap2000建立了该人行天桥的空间动力计算模型,采用非线性时程法研究了该人行天桥的地震响应特性以及各种因素对其地震响应的影响规律,得出了一些结论,希望能够为类似人行天桥的设计和加固提供一定参考[5,6]。
1地震荷载传递机理
以纵向地震荷载为例,图1给出了采用了板式橡胶支座的桥梁地震荷载传递示意图。如图( a) 所示,在较小的地震中,梁体与支座之间的摩擦力抵消了上部结构的全部水平惯性力,支座受力发生弹性变形并将惯性力传递至墩; 如图( b) 所示,在较大的地震中,梁体与支座之间的摩擦力抵消了部分上部结构的水平惯性力,支座发生弹性变形或剪切破坏, 梁与支座发生相对滑动。
2工程算例及动力计算模型
2.1工程算例
某跨越结构由单箱四室钢箱梁和钢板拱组合而成的人行天桥,箱梁跨度为49. 60 m,宽4. 00 m,高0. 65 m ( 不含地袱高度 ) ; 钢拱起拱半径为39. 75 m,矢高5. 68 m,从拱顶向两侧每3. 00 m对称布置截面为30 mm × 300 mm的钢板吊带; 全桥对称设置宽2. 00 m,高0. 40 m,梯度为1: 4的钢箱梁梯道,单侧梯道总长25. 59 m,梯道与跨越结构之间设置伸缩缝; 全桥共设10根直径0. 60 m的混凝土墩,墩顶设置规格为GJZ200 mm × 250 mm × 41 ( CR) mm的板式橡胶支座,其中主墩每墩设置两块,梯墩每墩设置一块。桥跨布置如图2和图3所示。
2.2动力计算模型
采用杆系单元法,运用Sap2000建立图4所示的梁拱组合结构人行天桥空间动力分析模型。定义纵桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖向为Z轴[7,8]。
假定墩和梁都处于弹性范围,采用弹性梁单元模拟。计算模型忽略桩与土的相互作用,将墩底与地面刚接; 以附加线质量考虑活载和二期恒载,以附加集中质量考虑梯道。分析采用瑞利阻尼,阻尼比取固定值3% 。
采用图5所示的双线性模型模拟板式橡胶支座,图中K1为板式橡胶支座的水平剪切刚度,K2为屈服后刚度,Fcr为临界屈服荷载。
根据《城市桥梁抗震设计规范》,单个支座的水平剪切刚度:
式( 1) 中,G为板式橡胶支座水平剪切模量,一般取1 200 k N / m2; A为剪切面面积,t为支座橡胶层总厚度。
临界屈服荷载:
式( 2) 中,μ 为板式橡胶支座与梁、墩接触面的滑动摩阻系数,取0. 10; FN为支座轴向荷载。
根据式( 1) 和式( 2) ,本算例单个板式橡胶支座的水平剪 切刚度为2 000 k N/m,屈服荷载 为48. 8 k N。
2.3地震动的选取
根据《公路桥梁抗震设计细则》: 一般情况下, 公路桥梁可只考虑水平方向地震作用,直线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用,抗震设防烈度为8度和9度的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构以及竖向引起的地震效应很重要时,应同时考虑顺桥向X、横桥向Y和竖向Z的地震作用。 为了探究简支梁人行天桥的地震响应特性,选取表1所示的三条实际强震记录对算例人行天桥进行非线性时程分析。分析考虑9度区罕遇地震,将各记录加速度峰值整到0. 6g[9,10]。
3三维地震响应特性分析
以结构的横桥向地震响应为研究对象,通过对不考虑竖向地震作用与考虑竖向地震作用的动力计算模型进行非线性时程分析,详细探讨了背景简支梁人行天桥地震响应特性,得到了一些结论[11,12]。
3.1结构位移响应
图6和图7分别为该梁拱组合人行天桥在1# 地震波输入下拱顶和跨越结构横向位移时程对比情况,表2为三条地震动作用下拱顶和跨越结构位移峰值响应结果。
从1#波作用下的拱顶和跨越结构横向位移响应时程可以看出: 竖向地震对拱顶和跨越结构的横向位移响应有影响,考虑竖向地震作用后,二者均增大。分析表2可知,2#波作用下跨越结构的横向位移响应最大,其中拱顶最大横向位移为111. 4 cm,梁体最大横向位移为109. 4 cm; 不同地震波的竖向地震动对跨越结构的位移响应影响不同,1#波和3#波的竖向地震动使跨越结构的位移响应增大,2#波减小。就具体数值而言,考虑竖向地震动后,1#波和3#波作用下拱顶横向峰值位移平均增大了约5% ,跨越结构横向峰值位移平均增大了约4% ; 2#波作用下拱顶和跨越结构的横向峰值位移均减小了约2% 。
3.2梁墩相对位移响应
图8给出了梁墩横向相对位移峰值对比情况。 图9 ~ 图11分别为三条地震动作用下横向相对位响应移时程。
结合图8 ~ 图11可以看出: 竖向地震使1#波和3#波作用下梁墩峰值相对位移增大,2 #波作用下减小。不同地震动的竖向地震分量对梁拱组合人行天桥梁墩相对位移响应的影响不同。
3.3墩的响应
表3给出了墩顶横向峰值位移和墩底横向峰值弯矩的对情况。
分析表3可知: 竖向地震对墩的地震响应影响较大,考虑竖向地震作用后,三条地震动作用下各墩的墩顶位移和墩底弯矩均增大。就具体数值而言, 考虑竖向地震动后,墩顶横向峰值位移平均增大了约12% ,墩底横向峰值弯矩平均增大了约14% 。
3.4跨越结构地震稳定
拱的存在使梁拱组合人行天桥跨越结构的重心高度高于桥面,在较大的地震中,跨越结构在发生横向滑动的同时很有可能会绕某一支座发生倾覆。为了更好地表述跨越结构的地震稳定,定义跨越结构倾覆系数 γ:
式中,MQ为跨越结构地震倾覆弯矩; MK为跨越结构抗倾覆弯矩; m为跨越结构质量; ay为跨越结构重心处的横向地震加速度; az为跨越结构重心处的竖向地震加速度; H为跨越结构重心到支座顶面的垂直距离; g为重力加速度; h为跨越结构重心到支座中心的横向水平距离; D为支座横向间距,x为梁墩横向相对位移。γ 大于1. 0,跨越结构发生倾覆, γ 小于1. 0稳定。
图12 ~ 图14给出了三条地震动作用下跨越结构稳定分析结果。从图中可以看出,竖向地震动增大了跨越结构的倾覆危险,例如,1#波和3#波的竖向地震使跨越结构发生了倾覆。由此可见,竖向地震对梁拱组合人行天桥跨越结构的地震稳定产生不利影响,必须对梁拱组合人行天桥进行考虑竖向地震的三维地震响应分析。
4地震响应影响因素分析
在上文的研究基础上对梁拱组合人行天桥进行了考虑竖向地震作用的三维地震响应分析,以梁墩的横向相对位移、墩底的横向弯矩和跨越结构的地震稳定为研究对象,详细探讨了梯道、支座滑动性能和跨越结构重心高度对梁拱组合人行天桥地震响应的影响。
4.1梯道的响应
人行天桥梯道和跨越结构的动力特性存在较大差异。为了探讨梯道对梁拱组合人行天桥地震响应的影响,建立了图15所示的考虑梯道影响的动力计算模型,通过三维非线性时程分析得出了一些结论。
图16和图17分别给出了梯道对梁墩横向峰值相对位移和墩底横向峰值弯矩的影响情况。可以看出,梯道使梁墩横向峰值相对位移和墩底横向峰值弯矩均减小,限制了跨越结构的横向运动,起到了防落挡块的作用。
图18 ~ 图20为梯道对跨越结构地震稳定的影响。从图中可以看出,梯道对跨越结构的地震稳定产生了不利影响,使三条地震作用下的跨越结构均发生了倾覆,必须采取措施即能充分发挥梯道的挡块作用,又能有效保障跨越结构地震稳定。
4.2支座滑动性能的响应
由板式橡胶支座的荷载传递机理可知,支座滑动性能是采用了板式橡胶支座的桥梁的地震响应的重要影响因素。根据《城市桥梁抗震设计规范》,橡胶支座与钢板表面的动摩阻系数取0. 10。为了探究支座滑动性能对梁拱组合人行天桥地震响应的影响,分别建立了摩阻系数为0. 05、0. 10、0. 15、0. 20及0. 30的计算模型,通过三维非线性时程分析得出了一些结论。
图21和图22分别给出了支座摩阻系数对梁拱组合人行天桥梁墩的横向峰值相对位移和墩底横向峰值弯矩的影响情况。从图中可以看出,摩阻系数增大,梁墩横向峰值相对位移整体减小,墩底横向弯矩单调增大,可以在一定范围内调整支座滑动性能来充分利用墩的抗侧能力。
图23 ~ 图25给出了三条地震动作用下,支座摩阻系数分别为1. 0、2. 0和3. 0的跨越结构地震稳定情况。从图中可以看出,支座摩阻系数增大,各地震动作用下跨越结构的倾覆系数增大,达到倾覆控制值的时间越早。由此可见,支座摩阻系数对跨越结构的地震稳定产生较大影响,摩阻系数越大,跨越结构的地震稳定性越差。
4.3跨越结构重心高度的影响
梁拱组合人行天桥跨越结构重心偏高,在较大的地震中,跨越结构在发生横向滑动的同时很有可能会绕某一支座发生横向倾覆。为了探究跨越结构重心高度对其地震响应的影响,通过改变拱重使跨越结构相对于桥面的重心高度分别为0. 5 m、0. 8 m、1. 0 m、1. 5 m和2. 0 m,通过三维非线性时程分析得出了一些结论。
图26和图27分别给出了梁拱组合人行天桥跨越结构重心高度对梁墩横向相对位移和墩底横向弯矩的影响情况。从图中可以看出,重心高度增大,三条地震动作用下的梁墩横向峰值相对位移整体先增大后减小,最后又增大; 墩底横向弯矩单调增大,这是主要是由于增大跨越重心高度使跨越结构整体重量增大造成的。
图28 ~ 图30分别给出了三条地震动作用下跨越结构相对桥面重心高度分别为1. 0 m、2. 0 m和3. 0 m时的地震稳定情况。可以看出,随着跨越结构重心高度的增大,其倾覆系数均增大,发生倾覆的时间均提前。由此可知,跨越结构的重心高度对其地震稳定性产生很大影响,重心高度越大,地震稳定性越差,在进行相关设计时必须充分考虑其中心高度的影响。
5结论
以某典型梁拱组合人行天桥为研究对象,采用Sap2000建立了该人行天桥的空间动力计算模型, 通过非线性时程分析研究了其三维地震响应特性及影响因素的影响,主要得出了以下结论。
( 1) 竖向地震对梁拱组合人行天桥的地震响应产生较大影响,不同地震波的竖向地震动对跨越结构的位移响应影响不同; 竖向地震动增大了梁拱组合人行天桥跨越结构的倾覆危险,必须对梁拱组合人行天桥进行三维地震响应分析才能充分评估其地震响应。
( 2) 梯道限制了跨越结构的横向运动,起到了防落挡块的作用,对跨越结构的地震稳定产生了不利影响,应采取措施在充分发挥梯道的防落作用的同时有效保障跨越结构的地震稳定。
( 3) 支座摩阻系数对梁拱组合人行天桥地震响应影响较大,摩阻系数越大,梁墩横向相对位移响应越小,墩底横向弯矩响应越大,跨越结构倾覆可能性越大,可以在一定范围内通过控制支座摩阻系数来减小梁拱组合人行天桥的地震响应。
1. 工程实例说明
珠海清华科技园一期创业大楼位于珠海清华科技园，平面呈矩形，其中，一至九层分为东西两座，十层以上两座连成一个整体，联体结构跨度35米。连接大梁采用钢—混凝土叠合板组合梁。截面图见图1。
2. 工程实例计算机仿真分析
2.1 有限单元法仿真
2.1.1 ANSYS建模
按照工程实例中的大跨度组合梁尺寸，本文采用了大型通用有限元程序ANSYS进行了模拟分析。采用1/2模型进行分析。
2.1.2 ANSYS加载
组合梁的地震响应分析采用动力学计算的瞬态分析方法。
(1）施加约束
该工程实例为大跨度铰接组合梁。在支座处，对钢梁施加线约束，使钢梁支座处的三个线位移和两个角位移为零;在跨中处，对组合梁截面施加线位移，使截面处所有沿梁纵轴方向位移为零。
(2）施加载荷
合理地选择地震波进行动力分析是保证结果计算可靠性的重要前提。本文选择频谱比较丰富的El-centro地震波作为组合梁的激励。地震作用通过惯性载荷输入给模型。本例仅计算前十二秒地震响应。
2.1.3 ANSYS求解
通过循环语句设定，在每一步求解结束后自动进入下一个子步。重复以上步骤，直至所有12秒全部求解完毕。
2.2 计算结果分析
2.2.1 跨中水平位移时程曲线结果分析
组合梁跨中处的水平位移为全梁的最大值。分别提取跨中处的上、中、下三点的水平位移时程曲线如图2所示。
(a)混凝土翼板跨中上表面水平位移时程曲线
(b)混凝土翼板与钢梁交界面处跨中水平位移时程曲线
(c)钢梁下表面水平位移时程曲线
由图可见，混凝土跨中上表面的最大位移为55.8mm，最小位移为-60.1mm;组合梁交界面处最大位移为58.4mm，最小位移为-62.4mm;钢梁跨中下表面的最大位移为96.1mm，最小位移为-94.7mm。由于建模时设定上下截面交界处在水平和竖直方向的位移耦合，因此混凝土下表面和钢梁上表面的水平位移相同。
比较上述结果可见：混凝土翼板在地震作用下的水平位移较小，只是钢梁水平位移的1/2左右。这主要是因为混凝土翼板的宽度较大，水平抗侧刚度较大，而钢梁的水平方向抗侧刚度较小，需要依赖混凝土提供的抗侧力来抵抗水平地震作用。
需要指出的是，本文建模时假定混凝土翼板和钢梁交界面上各点的水平方向和竖直方向完全耦合，即交界面上下各点水平和竖直位移相同。事实上，这种连接需要抗剪连接件来承担。为了保证混凝土能够提供给钢梁足够的抗侧能力，保证二者的组合效应的实现，建议栓钉的强度要满足设计要求，最好安排双排或多排栓钉连接混凝土翼板和钢梁。
2.2.2 跨中竖向位移时程曲线结果分析
对组合梁输入竖向地震波作用，在时程计算时，由于重力加速度不随时间改变，由组合梁自重引起的竖向挠度在时程曲线中保持不变(8mm左右)，由El-centro地震波引起的竖向位移为2mm左右，可见对于大跨度钢—混凝土组合梁，竖向地震作用引起的位移非常小，可以忽略不计。分析原因，主要是因为地震作用对梁体产生地震激励主要取决于其自身的刚度和质量。梁的质量越大，地震作用也越大。钢—混凝土组合梁能够在较小的自重下具有的较高的刚度，使其在地震作用下承受的惯性力非常小，因而其位移时程曲线数值也很小。
2.2.3 组合梁梁端应力计算结果分析
组合梁在输入El-centro地震波作用后，时程分析显示竖向地震激励最大的荷载步在第50步(ACEY=-2063mm/s2)、水平地震激励最大荷载步在第106步(ACEX=3200mm/s2)。由于组合梁的自重较轻，地震激励作用较小，引起的组合梁应力较小。只是在梁端处应力有较大的变化：在第50步，在下翼缘和支座加劲肋处应力达到22.5MPa;在第106步，钢梁腹板和加劲肋处应力达到最大的178MPa。可见，组合梁与框架柱的连接节点处的应力较大，是比较危险的部位。
2.2.4 组合梁梁端交界面纵向滑移结果分析
在组合梁结构中，剪切连接件(栓钉)是保证钢梁和混凝土翼缘共同工作的关键元件，在传递钢梁和混凝土翼缘交界面的剪力时会产生变形，从而导致交界面出现滑移，降低组合梁的刚度。简支组合梁的滑移在跨中处为零，在梁端处达到最大值。
分析梁端交界面纵向滑移时程曲线可见，梁端纵向滑移非常小，平均在0.2mm左右。由于地震作用对梁体影响不大，纵向滑移现象并不明显。
3. 结语
综上，对本文研究工作总结如下：
(1)钢—混凝土组合梁的水平地震作用：由于混凝土翼板的水平刚度较大，水平位移比较小;下部钢梁的水平刚度相对较弱，下端水平位移较大，需要依赖混凝土提供的抗侧刚度。
(2)钢—混凝土组合梁由于具有较高的竖向刚度，在地震作用下其竖向作用效应相对于水平作用效应较小;同时，由于竖向地震激励和水平地震激励的组合效应较小，故可以忽略地震竖向激励对组合梁的作用。
(3)钢—混凝土组合梁具有优良的抗震性能。由于钢—混凝土组合梁的自重较轻，跨高比相对于其它结构形式比较大，截面高度降低，在地震激励下产生的惯性力较小。
组合车库是对铁路货车车体及配件进行检修的钢结构厂房, 常采用带吊车的单层门式刚架结构体系, 即横向为刚接的门式刚架, 所有钢梁与钢柱刚接;纵向为铰接排架, 采用水平系杆及柱间支撑与柱铰接。 刚架横向方向的地震验算通过软件自身进行, 但对于纵向方向的地震验算, 由于存在吊车层, 还没有特别好的软件对其纵向地震更好的模拟。 本文提出采用能量法计算结构纵向地震的自振周期, 从而得出纵向地震的水平地震影响系数, 并与风荷载进行简单比较, 得出一些结论, 希望对此类厂房提供设计参考。
2 工程实例
2.1 组合车库的组成
新建山西中南部铁路工程日照南组合车库是由修车库、钩缓间、制动检修间、配件检修中心及铆焊间、转向架间、轮对加修间等车间组合而成, 建筑面积24 259.5m2, 檐口高度14.5m, 单层厂房, 其中车间设有10t、5t、3t等17 台吊车。 由于甲方对屋面及墙面的耐久性要求比较高, 故屋面及墙面采用钢骨架混凝土轻型板材 (自重约0.7k N/m3) , 屋面采用常规的保温及防水做法, 导致屋面荷载比较大, 屋面自重产生的重力荷载代表值要比常规压型钢板屋面大得多, 因此, 纵向地震的计算显得尤为重要。 组合车库的平面及纵向剖面图见图1 和图2。
2.2 组合车库的计算参数
组合车库的基本计算参数如表1所示。
3 能量法的理论及计算假定
3.1 能量法的计算理论
能量法是根据体系在振动过程的能量守恒原理导出的, 适用于求解结构的基本周期, 示意图见图3。
设体系作自由振动, 任一质点i的位移:
xi (t) =Xisin (ωt+ε)
速度为:
x (t) =ωXicos (ωt+ε) .
当体系振动达到平衡位置时, 体系变形位能为零, 体系动能达到最大值Tmax:
当体系振动达到振幅最大值时, 体系动能为零, 位能达到最大值Umax:
根据能量守恒定律:Tmax=Umax
一般假定:将结构各质点的重力荷载代表值当成水平荷载作用于质点上, 计算上下支撑各自的相对位移, 进而求出结构的自振周期。
3.2 组合车库纵向周期的计算假定
组合车库中设有吊车, 把厂房分成吊车梁顶标高处质点即7.2m处质点和屋顶标高处质点即12.2m处质点, 因此计算时可以简化为二质点体系, G1为12.2m处质点的重力荷载代表值, G2为7.2m处质点的重力荷载代表值。因为厂房吊车梁顶标高较高, 且屋面荷载比较大, 相应的柱间支撑系统较强, 为方便计算假设钢柱纵向方向的刚度贡献为零, 纵向地震作用全部由柱间支撑来承担。本组合车库中设上柱支撑为5 道, 下柱支撑为3 道, 柱间支撑局部立面布置图见图4。
4 能量法的应用
采用能量法进行组合车库纵向自振周期的计算, 首先需要计算重力荷载代表值G1和G2。G1和G2的重力荷载代表值主要组成如下:
G1= 屋盖荷载+ 屋面梁自重+ 上柱自重1/2+ 上柱围墙墙重1/2+ 屋面雪荷载+ 上柱部分山墙重+ 上柱部分抗风柱重。
G2= 吊车梁自重+ 下柱部分自重+ 下柱部分围墙墙重+吊车桥架重+ 下柱部分山墙重+ 下柱部分抗风柱重。
根据以上计算所得的G1和G2重力荷载代表值, 作为水平荷载施加在屋顶标高和吊车梁顶表处。ΔXi为各节点处的相对位移[2], 根据式 (2) , 计算各处的相对位移:
式中, FNP为交叉支撑斜拉杆的作用力;L为斜拉杆的长度。F軈为单位力;E为弹性模量;A为截面面积。分别计算 ΔX1出 ΔX2和后, 再计算出各质点的位移X1和X2。荷载作用示意图见图5。
根据式 (1) , 可得出组合车库纵向地震下的自振周期T。
根据文献[3], 水平地震影响系数 α= (Tg/T) γη2αma x, 可以得出组合车库的纵向水平地震影响系数的数值, 进而计算水平地震作用标准值。根据支撑的布置可以算出每道支撑应承担的地震力。如本组合车库因上部支撑为5 道, 下部支撑为3道, 故每道上部支撑承担的地震剪力为Fs/5, 下部支撑承担的地震剪力为Fx/3。
5 地震作用与风荷载比较
对于常规门式刚架结构来说, 地震作用一般不占控制作用, 但是由于本组合车库的屋面采用轻型屋面板且屋面有保温及防水的荷载, 导致其屋面自重荷载比压型钢板屋面要大得多, 必须对其进行纵向地震作用的计算, 同时还需和风载下的纵向作用进行比较, 来确定柱间支撑何种作用占控制地位。
地震作用下多质点总地震标准值FEK=αGeq=α ×0.85 × (G1+G2) , 风荷载W根据 《建筑结构荷载规范》 (GB50009—2012) 进行计算。考虑荷载分项系数 γEh、γw和承载力抗震调整系数 γRE=0.75 后, 地震荷载FEK和风荷载W的对比 (震风比) 如下:
当 β>1 时, 地震作用占控制地位;当 β<1 时, 风荷载作用占控制地位。通过以上的震风比来判断柱间支撑受力是由地震作用控制还是有风荷载作用控制, 进而进行柱间支撑的受力计算。
6 结语
由于普通门式刚架屋面采用压型钢板, 屋面的自重很小, 导致纵向地震比较小。但是, 当屋面荷载采用比较重的屋面形式时, 就必须对其纵向地震进行详细的分析。本文采用能量法对带有吊车的厂房进行二质点单元抗震的计算, 简化了计算模型, 使纵向地震的计算变得相对简单实用, 同时简述了通过地震与风荷载的对比来确定柱间支撑的最终受力作用。
参考文献
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[2]龙驭球, 包世华.结构力学教程 (Ⅰ) [M].北京:高等教育出版社, 2000.
多年以来,国内外的学者都认为水平地震力是引起结构破坏的决定性因素,而竖向地震力的作用微不足道。然而,近年来的地震灾害和地震记录表明竖向地震运动及其对建筑结构破坏形态和破坏程度的影响也是无法忽略的,因此,竖向地震作用的研究逐渐受到人们的重视。关于竖向地震作用的计算,各国采用的方法不尽相同。我国《建筑抗震设计规范》根据建筑类别不同,分别采用竖向反应谱法和静力法。
1 工程概况
浙江舟山市普陀区东港开发区拟建高层连体办公楼,其中1号,2号主楼地上18层,结构总高度81.4 m,为高层钢筋混凝土框架剪力墙结构,1号,2号楼顶部3层为58 m净跨的大跨连接体结构,属于竖向不规则结构。1号楼9层～16层的采光中庭削弱了楼层平面刚度,中庭洞口面积约为楼层面积的25%,南北向楼板连接宽度不足总宽度的25%,其中第16层楼板削弱尤为严重,属于平面不规则结构。
鉴于该结构体系的复杂性,为确保该建筑结构的抗震安全性和可靠性,除了进行常规的计算分析、有效的设计手段和构造措施外,抗震设防专项审查要求对该结构进行模拟地震振动台试验。由于该结构连体部分跨度很大,因而本文采用数值模拟的方法对结构进行了规范反应谱分析以及弹性时程计算分析,以更深入、全面地了解该结构竖向地震作用下的抗震性能。
2 有限元模型及计算结果
2.1 计算模型
运用ANSYS对模型结构进行有限元分析时主要采用了两种单元类型:一种是Beam188单元,用来模拟巨柱、桁架、楼面梁等构件;另一种是Shell143单元,用来模拟剪力墙和楼板。Beam188单元是三维空间的2节点直线单元,每个节点有7个自由度,包括3个沿X,Y,Z轴的平动自由度,3个绕X,Y,Z轴的转动自由度,还有一个可以激活的截面翘曲自由度。该单元基于Timoshenko梁理论,可考虑剪应变。Shell143单元是4节点塑性小应变壳体单元。尤其适用于模拟非线性薄壳。在平面内的所有方向,变形都是线性的。对于平面外运动,可使用混合张量差值法。
计算模型仅考虑地上部分,将地下室顶板作为嵌固端,全部利用ANSYS进行三维空间建模,取结构连体方向为X向,与两座塔楼平行方向为Y向,计算模型及连体结构局部示意图见图1。计算分析的目的是:通过建立较精细的有限元计算模型,对结构整体的抗震性能及关键构件、结构细部的受力、变形状态进行深入、细致的分析。具体计算分析内容为:1)整体模态分析;2)规范反应谱分析;3)弹性时程分析。
2.2 模态分析
模态分析主要考查结构在弹性状态下的动力特性,得到结构的自振周期和振型特征,总共计算了前50阶模态,X,Y方向的有效质量系数分别为91.4%,92.4%。各方向有效质量系数见表1。
2.3 反应谱分析
本文采用规范反应谱,并将特征周期和加速度调整到适合结构的反应谱,取前50阶模态参与计算,各振型贡献按CQC方法进行组合。竖向地震影响系数的最大值根据规范取水平地震影响系数最大值的65%。反应谱分析示意图见图2。
2.4 弹性时程分析
理论计算比照模型试验7度多遇地震的工况进行,分别选择了El Centro和Pasadena两条地震波作为输入。地震波输入时,三向同时作用于结构,但输入幅值按国家规范进行调整,最大幅值为35 gal。两个水平方向的幅值比为1∶0.85,主水平向与竖向之比为1∶0.5(见图3)。
3结论及建议
连体部分对竖向地震作用十分敏感,在反应谱分析中,连体跨中竖向位移最大,而在弹性时程分析中,1/4跨处竖向位移最大,建议加强连体层楼板配筋,加强连体桁架构件的整体和局部稳定性并重视连体下一层塔楼梁柱节点的延性设计。
摘要：指出双塔连体结构是在两塔楼顶部设置连体而形成的新型建筑结构形式,属于规范规定的复杂高层建筑结构,针对这一结构,采用通用有限元程序ANSYS对原型结构的抗震性能进行数值模拟分析,从而更深入地了解了此类结构在竖向地震作用下的抗震性能。
关键词：连体结构,有限元分析,结构抗震
参考文献
[1]JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[2]尚晓江.ANSYS结构有限元高级分析方法与应用范例[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
与传统现浇施工方式相比, 预制楼梯可以实现定型化设计生产, 有利于提高构部件的质量与性能, 又能够有效缩短建造工期、减少劳动力资源和能源消耗[5]。已有相关研究表明预制分离式楼梯具有良好的受力性能, 具有广泛的工程应用前景[1,6]。为研究预制混凝土楼梯对现浇混凝土框架结构抗震性能的影响, 本文设计了无楼梯、现浇整体式楼梯及预制分离式楼梯三种混凝土框架结构模型, 利用SATWE软件分别对三种结构进行了振型分解法计算, 对比分析各模型结构的周期、水平地震作用、楼层位移及相邻框架柱的内力。
1 结构模型与参数
选用6层现浇钢筋混凝土框架结构, 结构平面布置及楼梯间位置见图1, 梯板沿结构横向设置。层高均为3.0 m, 横向框架梁截面尺寸300 mm×700 mm, 纵向框架梁250 mm×500 mm, 框架柱截面尺寸均为500 mm×500 mm, 楼板厚度120 mm, 混凝土强度等级C30。采用板式楼梯, 梯段板及平台板厚度为120 mm, 楼梯详细尺寸见图2。
根据GB 50009—2010建筑结构荷载规范, 荷载标准值取值为:楼面和屋面恒荷载5 k N/m2, 楼面和屋面活荷载2.5 k N/m2, 框架梁上线荷载5 k N/m。楼梯间荷载标准值为:恒荷载7.5 k N/m2, 活荷载2.5 k N/m2。
在PKPM软件中建立有预制分离式楼梯的框架结构模型3, 并建立无楼梯模型1和现浇整体式楼梯模型2作为对比模型。现浇整体式楼梯与预制分离式楼梯的端节点的连接方式不同, 采用梯段两端固接于平台和楼板的方式模拟现浇整体式楼梯端节点连接, 采用上端节点铰接于楼面梁或平台梁的方式模拟预制分离式楼梯节点, 其下端与楼面梁或平台梁通过滑动支座连接[7]。
2 计算结果对比分析
利用SATWE软件分别对三种不同楼梯影响的框架结构模型进行水平地震作用计算, 场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第一组, 抗震设防烈度8度, 设计基本地震加速度0.2g, 框架抗震等级为二级, 水平地震作用按双向计算, 地震作用采用振型分解法计算。
2.1 楼梯对结构自振周期的影响
三个模型的前三阶振型均分别为X方向平动、Y方向平动和绕Z轴的扭转, 楼梯的参与并没有改变结构的振型。由表1可知, 考虑现浇整体式楼梯模型前三阶振型周期比不考虑楼梯影响的模型减小5.89%~7.18%, 而考虑预制分离式楼梯模型前三阶振型周期比不考虑楼梯影响的模型减小1.86%~4.50%。
对比发现, 现浇整体式楼梯会使框架结构的自振周期明显缩短, 水平抗侧刚度明显增大, 而预制分离式楼梯相对于现浇整体式楼梯自振周期缩短较小, 预制分离式楼梯对框架主体水平抗侧刚度贡献较小。
2.2 楼梯对结构整体地震反应的影响
表2给出了无楼梯、现浇整体式楼梯和预制分离式楼梯三种情况下基底剪力和倾覆力矩, 可以看出, 现浇整体式楼梯框架模型X向和Y向的基底剪力相对于不考虑楼梯的模型明显增大7.96%和7.40%, 而预制分离式楼梯框架模型X向和Y向的基底剪力相对于不考虑楼梯的模型增大5.20%和3.24%, 倾覆力矩与基底剪力具有相同的分布规律。
从图3可以看出, 在Y向地震作用下, 现浇整体式楼梯模型的框架层间剪力相对于无楼梯模型增大明显, 而预制分离式楼梯模型相对于无楼梯模型增加较小;在X向地震作用下, 规律与Y向地震作用相同。
说明现浇整体式楼梯使结构的整体地震反应增大, 使结构水平抗侧刚度明显增大, 而预制分离式楼梯相对于现浇整体式楼梯能明显减弱楼梯对于框架结构主体刚度的贡献。
2.3 楼梯对结构水平位移的影响
三个模型的楼层位移沿结构竖向分布曲线见图4, 现浇整体楼梯模型楼层侧移明显小于无楼梯模型, 而预制分离式楼梯模型侧移相对减小不明显, 说明现浇整体式楼梯的存在可以使结构抗侧刚度增加显著, 水平位移减小明显, 而预制分离式楼梯对主体结构刚度贡献相对较小, 可以认为预制分离式楼梯对结构楼层侧向刚度的增强幅度比现浇整体式楼梯对结构楼层侧向刚度的增强幅度明显降低。
2.4 楼梯对相邻框架柱的影响
考虑楼梯作用时, 柱A因平台板分割, 形成剪跨比较小的短柱, 在地震作用下容易发生破坏 (见图1) 。由图5, 图6可见, X方向和Y方向地震作用下, 模型2相对于模型1柱A的轴力和剪力增大明显, 而模型3相对于模型1增大略小, 同时, 模型3中柱A比模型2的轴力和剪力小得多。故结构设计时应考虑楼梯对相邻框架柱的影响, 预制分离式楼梯模型相比现浇整体式模型, 相邻框架柱轴力和剪力明显下降, 减小了柱子在地震作用下破坏的可能性。
3 结语
1) 现浇整体式楼梯对框架结构的自振周期、基底剪力、倾覆力矩和相邻框架柱受力的影响不可忽略, 故结构设计时应考虑楼梯作用。2) 预制分离式楼梯比现浇整体式楼梯对框架结构的影响小, 且相邻框架柱轴力和剪力明显下降, 因此预制分离式楼梯具有更合理的受力性能, 可广泛应用于工程实际。3) 考虑到预制分离式楼梯在施工过程中的受力情况, 建议采用双层双向配筋。
摘要：利用SATWE软件对无楼梯、现浇整体式楼梯及预制分离式楼梯三种方案的框架结构分别进行了振型分解法计算, 对比分析了三种方案下结构的周期、水平地震作用、楼层位移及相邻框架柱的内力。分析结果表明, 结构设计时应考虑楼梯作用;预制分离式楼梯具有比现浇整体式楼梯更合理的受力性能, 对框架结构的影响相对较小。
关键词：预制楼梯,框架结构,抗震分析,设计方法
参考文献
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