坚硬岩石给人一种稳固的印象。把一座斜拉桥建在岩石上,计算时是否可以把桥脚当成牢牢固定?这篇论文把两个经常混在一起的问题拆开:岩石会不会被桥带着动,以及地震波到达不同桥脚时是否相同。

一座桥,三种计算画像

最简的画像,是把所有支承都放在刚性地面上,让它们经历同一段地震。再详细一些,可以保留刚性地基假定,却让每个桥脚接收各自位置的地震动。最完整的画像则把桥梁和周围基岩一起建模,让两者相互作用。

论文针对基岩场地上的大跨度斜拉桥,比较这三种模型。完整模型包含庞大的岩体网格,计算量明显增加。这样的对照,可以帮助判断:复杂计算究竟补充了哪一部分重要信息。

这里的“相互作用”是双向的:地面运动推动桥梁,桥梁的惯性作用又反馈给地基;而“场地效应”描述地震波在到达桥梁之前,怎样被地形和地层改变。它们发生在不同环节。论文把刚性地基多点输入放在两种模型之间,正好搭起了一座比较的桥:与一致输入对比,观察场地差异;与桥—基岩整体模型对比,再观察地基反馈带来的增量。

桥梁模型与桥—基岩整体模型。下图加入了大范围岩体,用来检验桥与地基相互作用的影响。
图 1|桥梁模型与桥—基岩整体模型。下图加入了大范围岩体,用来检验桥与地基相互作用的影响。 来源:Figs. 4–5。

真正拉开差距的是哪里?

在研究的桥梁与基岩条件下,考虑桥—岩相互作用带来的响应变化较小;是否考虑局部场地造成的输入差异,却明显改变了计算结果。忽略这种空间差异时,部分结构响应峰值的相对误差达到 48.66%。

这可以用一根长杆来理解:支承杆子的底座都很硬,并不代表每个底座的运动完全一样。当地震波经过不同地形后抵达桥脚,支承之间的运动差会继续传递给桥梁。图中的反应谱对照,正是在观察这些不同输入的动力特征。

图中的工况 1 采用一致输入,工况 2 采用考虑局部场地的多点输入,工况 3 把桥梁和基岩作为整体分析。这样阅读曲线时,每一组差异都有明确来处。还要注意,反应谱展示的是某个支承位置的运动特征,而 48.66% 对应论文中结构响应峰值的比较。支承输入、桥梁变形和构件内力是连续的三个环节,各自回答一个不同问题。

三种工况下左桥塔底部的加速度反应谱。曲线比较的是到达该位置的动力输入特征,与全文的结构响应对照相互配合。
图 2|三种工况下左桥塔底部的加速度反应谱。曲线比较的是到达该位置的动力输入特征,与全文的结构响应对照相互配合。 来源:Fig. 12。

把计算精力用在关键处

对本文研究的这类基岩场地斜拉桥,采用刚性地基上的多点输入模型,能够在保留主要响应特点的同时减少建模负担。关键在于先分析场地,为各桥墩提供相应的地震输入。

这项工作的意义,是给模型简化找到物理依据。工程师可以把更多精力放在地形、波传播与支承位置的关系上,让模型的复杂程度跟着真正重要的机制走。

这种模型比较方法也适合帮助工程师安排计算工作。可以先做能区分关键机制的对照,看看地基柔度和空间输入分别改变了什么,再确定最终模型的精细程度。在本文的坚硬基岩场景中,多点输入抓住了重要差异,庞大的整体岩体模型增加的响应变化较小。由物理机制决定模型取舍,能让计算规模、工作量与关心的工程问题相互匹配。