一座很长的桥,可能横跨不同的地层。地震波传来时,各个桥墩开始晃动的时刻和晃动幅度都可能不同。就像几个人抬着一根长杆,只要脚步不一致,杆子就会受到额外的拉扯。

把每个桥墩的动作交给模型

这种情况在工程中叫作多点地震输入。它要求计算模型知道每个支承点怎样运动,再求出整座桥的响应。实际操作中,工程师可以直接给定位移,也可以把地面运动转化成等效作用力,还有一种常用办法是在支承处设置很大的附加质量,用惯性力带动它运动。

论文选取连续刚构桥,对直接求解法、位移输入法、相对运动法和大质量法进行比较。同一座桥、同一组地面运动,换一种输入方式,会不会算出不同的结果?

多点输入还可以拆成两种直观情景。一种是同一列波依次到达各个桥墩,像一排人按先后顺序迈步;另一种是局部场地不同,让各桥墩的幅值和波形也发生变化。前者突出传播时间差,后者包含更丰富的空间差异。研究在同一座桥上比较这些输入情景,便于观察计算方法对何种差异更敏感,也能把模型算法和场地条件的影响区分开。

用于比较的连续刚构桥。多个支承点分布在不同位置,地面运动通过这些支承共同作用于上部结构。
图 1|用于比较的连续刚构桥。多个支承点分布在不同位置,地面运动通过这些支承共同作用于上部结构。 来源:Fig. 1。

加速度对得上,位移为什么跑偏?

算例中,前三种方法得到的结果吻合较好。大质量法则出现了一个值得注意的现象:加速度看起来合理,位移和内力却可能发生明显偏离。

原因藏在加速度变成位移的过程中。速度是加速度随时间累积的结果,位移又是速度的累积。一个很小的基线误差,经过两次积分,就可能长成持续漂移的位移。当各支点漂移得不一样,模型里的桥便承受了额外变形,进而影响内力。图中向一侧偏走的曲线,把这个问题直接显示了出来。

位移漂移之所以会改变内力,是因为桥梁连接着多个支点。假如所有桥墩一起缓慢平移,结构受到的拉扯较小;如果一个桥墩向左漂、另一个向右漂,桥面和桥墩之间就必须协调这些不一致的运动。模型会把这种人为增加的相对位移,当成真实的结构变形来计算。所以检查输入时程时,除了波峰是否正确,还应查看地震结束后曲线是否停在合理的位置。

不同输入方法得到的墩顶水平位移。关注明显向负方向漂移的曲线:它展示了输入处理差异如何进入结构响应。
图 2|不同输入方法得到的墩顶水平位移。关注明显向负方向漂移的曲线:它展示了输入处理差异如何进入结构响应。 来源:Fig. 4。

给桥梁输入一套彼此一致的运动

地面的加速度、速度和位移,描述的是同一场运动的三个侧面。准备多点输入时,需要让它们在时间上相互对应,并检查处理方法是否引入了漂移。

这项研究把一个容易被忽略的计算细节,变成了清楚的工程问题:当桥墩各自运动时,支承之间的相对位移会直接影响桥梁受力。选择输入方法、检查位移时程,与建立桥梁模型同样重要。

论文的对照也给出了一个实用的检查顺序:先比较各方法在支承处实际产生的运动,再查看桥梁位移,最后检查剪力、弯矩和轴力。这样可以追踪差异从哪里进入模型,而不必等到某个内力峰值异常时才回头猜原因。多点输入的质量控制由此变成一条可检查的链:地面运动是否一致、算法是否正确传递、结构是否对相对运动作出了合理响应。