土耳其Mustafa Inan高架桥的地震评估

• 地震破坏后的地震重新评估研究

• 用三维厚梁单元进行线性和非线性动力分析

• 计算得到的模态频率和先前的规范十分吻合

1999年8月发生在土耳其的Kocaeli地震损坏了泛欧高速公路上的许多结构物。有20座高架桥、5座隧道和许多天桥受到了影响。损害包括：混凝土剥落、梁体从支座上滑移、墩顶倾斜、连接线填土下沉等，甚至一些结构的桥面系完全破坏。Gebze技术学院与土耳其公路管理董事会合作，采用LUSAS Bridge评估了地震对众多结构物的影响，其中包括Mustafa Inan高架桥的地震评估，该桥离地震中心仅5公里远。

概述

Mustafa Inan高架桥由两车道组成，都是由10跨40m长的单箱梁组成，箱梁由橡胶支座简支。当1982年该桥建成时，其90m的桥墩是当时*高的。由于桥墩侧向刚度的巨大改变，桥梁结构表现出了复杂的动力行为。地震之后，除了位于中跨第二高墩上的减震器受损之外，该立交桥结构完好无损。

建模

地震发生前从传感器获得的环境振动测试数据，可用于确定未损伤结构的动力特征及LUSAS模型的校正。用三维厚梁单元描述主梁和桥墩。虽主梁简支于桥墩之上，为简化模型，将他们模拟成连续的。为了研究异相运动对可能发生的脱落和倒塌现象的影响，用端部带适当约束的线性弹簧单元模拟橡胶支座。

结果

分析发现模态振型和相应的频率对墩与桥面系连接弹簧的刚度变化非常敏感。模态振型和频率的实测值与预测值具有良好的相关性。用LUSAS计算的模态参与因子表明低频模态（0.4 -1.0 Hz）对结构响应的贡献到90%. 用三维正转厚梁单元建立了非线性分析模型。该类单元允许材料为理想弹塑性，且能考虑几何大变形。由于该问题是无条件稳定的，选择了时间步长为0.025 sec的Hilber-Hughes-Taylor隐式积分法。分析中输入的加速度数据来源于该桥南侧2Km处的实测值。线性和非线瞬态动力分析结果的比较表明稍矮的桥墩比高墩能承受更大的弯矩和剪力。此外，高架桥在时间域上的变形形态揭示了在中跨的高墩中的不可忽视的骤断行为。因此，为了求得结构的真实行为，必须考虑几何非线性。

通过使用LUSAS Bridge，模态振型和频率的实测值和预测值非常吻合。研究结果表明立交桥在三个不同的频率带表现出了三种不同的动力行为：

在**个频带（低频），值得关注的是相对较大的位移，结构似乎对位移特别敏感。由于桥墩表现出的是面内运动，结构承受比例阻尼。计算出的模态参与因子表明前三阶模态对结构响应贡献达90％。因此，高阶模态（大于1Hz）的面外运动可被忽略，可假设结构阻尼是瑞利型比例阻尼。谱分析结果表明桥墩中靠近支座位置出现了过高剪力。
第二个频带范围是1.0~2.0Hz，与高阶纵向和横向模态相应。邻近结构支配模态的位移几乎降到零，事实上有相当一部分能量转移到1.0~1.5Hz的频率范围，这主要是由于边梁响应发生在1.5Hz，以及其它高频效应，即与位移相比，结构对速度更加敏感。在1.2~1.5Hz的频率范围内，由于边梁和中梁的异相运动，很容易导致脱离即倒塌现象的发生。在将来发生地震中，若持续时间短、加速度达，这一临界范围对结构响应分析将非常重要。
第三个频率范围大于3.0Hz，包括结构在橡胶支座上发生漂移，该阶振动频率是3.7Hz。

边梁和中梁的异相振动在试验研究及数值分析中都得到了确认。非线性分析表明地震会导致桥面系膨胀，包括结合点的膨胀；倒塌行为或对称边的收缩可能会发生；减震器可能会失效。这在高架桥的初步损伤报告中得到了证实。

据报道，该区域在未来30年内，有70％的可能会发生另一场大地震。有必要根据动力试验和有限元分析结果对这些结构行为进行充分地模拟，以帮助改进用于该类公路桥梁地抗震设计规范。

Gebze技术学院地研究工作将扩展到该地区的其它公路结构物，以提高设计和分析技术，确定结构损伤，以及确定需要加固的结构。