單塔斜拉橋不同結(jié)構(gòu)體系抗震分析
第 1 章 緒論
斜拉橋是一種較為復(fù)雜的橋型，它的特點是用主梁通過斜拉索懸吊在索塔上，其主梁受力與普通的梁橋的主梁僅僅受到彎矩不同，由于是組合體系的橋梁，它的主梁承受了拉力和彎壓。索塔是斜拉橋的標(biāo)志性構(gòu)造物，按照索塔的個數(shù)可分成：多塔斜拉橋、雙塔斜拉橋和單塔斜拉橋，只有一個索塔的斜拉橋即為單塔斜拉橋。目前，單塔斜拉橋的數(shù)量大概占到世界斜拉橋的 1/6 到 1/4 之間，與雙塔斜拉橋和單塔斜拉橋的數(shù)目，大體上是差不多的[1]。德國于 1960 年建造了第一座單塔斜拉橋 Severin 橋，也是世界上第一座單塔非對稱斜拉橋，如圖 1.1�？鐝綖� 301.67+150.68m 的 Severin 橋，索塔形狀為“A”型，斜拉索呈放射形，結(jié)構(gòu)體系為漂浮體系。該橋的首次釆用的“A”型索塔與橫向傾斜的斜拉索面相結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)非常美觀[2]。
修建得最少的為單塔混合梁斜拉橋。1999 年，臺灣高屏溪大竣工成為當(dāng)時僅次于德國的 Flehe 橋的第二大單塔混合梁斜拉橋，單索面跨徑為 186+330m。天津的海河橋，跨徑 310+210m，是大陸最大的單塔混合梁斜拉橋[12]。我國跨徑在 150m 以上的單塔斜拉橋也已經(jīng)修建了很多，表 1.2中就是主跨跨徑達(dá) 150m 以上的斜拉橋。從表中我們可以看出，單塔斜拉橋采用的多為塔梁墩固結(jié)體系，即剛構(gòu)體系。塔梁固結(jié)體系及半漂浮體系所占的比例較少。
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隨著現(xiàn)代社會城市化的不斷前行，越來越多的人口聚集到城市當(dāng)中，對于人口密集的大城市而言，交通就成為極其重要的生命線，城市對這些生命線也更加的依賴[13]，而一旦交通生命線遭到破壞，將影響整個城市生產(chǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至是威脅到人民群眾生命財產(chǎn)的安全。地震作為一大自然災(zāi)害，頻繁發(fā)生，在帶來重大損失的同時也激發(fā)了人們對這種自然災(zāi)害的認(rèn)知的欲望以我們目前的科技水平，要阻止地震發(fā)生是不可能的[14]，所以只能去研究它，盡量去全面了解這種自然災(zāi)害，以此來做出更加合理的設(shè)計，以此來提高結(jié)構(gòu)的抗震能力[15]，將損失降到最低。隨著城市中各橋梁形式的建起，也對設(shè)計人員提出更高的要求，更需要研究人員來制定出更加合理的規(guī)范及相關(guān)規(guī)定，使設(shè)計更加規(guī)范化。
雖然斜拉橋的抗震設(shè)計從第一座斜拉橋馬拉開波(Maracaibo)橋的設(shè)計之初就受到了重視[16]，而且隨著斜拉橋數(shù)量的迅速增長、跨度的不斷加大以及橋梁的多樣化，其抗震要求也越來越高，但是關(guān)于斜拉橋的抗震設(shè)計規(guī)范及方法卻沒有得到相應(yīng)的提高。歐洲規(guī)范（EUROCODE8）及美國的 AASHTO 規(guī)范都僅適用于主跨不超過150m 的普通鋼、混凝土梁或者箱梁橋，而對于斜拉橋、懸索橋等橋型則缺少相關(guān)規(guī)定[17]。我國現(xiàn)行的《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》在原來基礎(chǔ)上重新修訂了適用范圍，采用多級設(shè)防新思想，更加注重橋梁的延性抗震，不過也由于研究工作不充分，認(rèn)知度不夠等因素，需要對單塔斜拉橋抗震做進(jìn)一步的詳細(xì)研究。
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第 2章 斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系和地震響應(yīng)分析理論
基于這個原理，斜拉橋主梁的工作方式可以看作是多點彈性支撐點的連續(xù)梁，充分利用了鋼材的抗拉性和混凝土的抗壓性，從而大大降低了主梁材料的用量，減輕了自重，提高了跨越能力。
因為組成斜拉橋的三個主要部分，主梁、塔柱和斜拉索的種類有很多，所以將各部分的不同種類進(jìn)行相互組合，可以呈現(xiàn)出許多各具特色的橋梁形式。根據(jù)已有的工程實踐經(jīng)驗，不同的組合方式可以歸為四個體系[29]。
（1）漂浮體系
將有塔墩固結(jié)、塔梁分離特點的斜拉橋歸為漂浮體系，如圖 2.1 中所示，梁的兩側(cè)端部位置在縱向僅設(shè)置豎向約束，可以浮動，屬于柔性結(jié)構(gòu)。由于跨中采用斜拉索傳力，沒有采用豎向支撐來保持受力后的穩(wěn)定，從而避免了采用豎向支撐后在支撐處產(chǎn)生的過大的負(fù)彎矩，保證了作用在斜拉索上的拉力可以均勻分布[30]。由于縱向無約束，這也決定了該體系在溫度以及混凝土收縮徐變作用下產(chǎn)生的次內(nèi)力較小。而且該種體系的主梁在縱向上沒有約束，具有一定的浮動能力，所以發(fā)生地震時可以通過擺動抵消一部分地震力能量，因此這種體系多在地震烈度高的地區(qū)采用。
但是在懸臂施工法時，這種體系的缺點就會體現(xiàn)，施工時需要把主梁和索塔臨時固結(jié)，以此來保證施工過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和整體性，但實際在施工時不能完全保證對稱，最后拆除臨時固結(jié)時，會使主梁發(fā)生微小的縱向偏移。
（2）半漂浮體系
半漂浮體系，也可以稱作支承體系，如圖 2.2，漂浮體系斜拉橋在主梁穿過塔橋位置處設(shè)置在塔柱橫梁上的豎向支承，則成為半漂浮體系。半懸浮體系具有懸浮體系的所有優(yōu)點外，同時由于其主梁具有較大的剛度，對縱向的位移和變形又具有一定的限制，在施工中又沒有更換臨時支撐的步驟。但是其在塔墩支撐處[31]，由于內(nèi)力作用會出現(xiàn)負(fù)彎矩，而且由于溫度、混凝土收縮徐變產(chǎn)生的內(nèi)力也很大，所以在支撐處的主梁截面通常需要增加強(qiáng)度。也可以采取相應(yīng)的技術(shù)措施來降低收縮、徐變等給橋梁帶來的不利影響。
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通過對過去大量震害資料的統(tǒng)計與觀察，以及研究人員對地震理論的不斷的深入研究和對經(jīng)驗的總結(jié)，，概括起來有三種地震響應(yīng)分析方法：靜力法、反應(yīng)譜法和動態(tài)時程分析法[35]。2.2.1 靜力法
靜力法是先假設(shè)結(jié)構(gòu)的各部位的振動情況與地震動一致，這樣就可以根據(jù)地震動加速度來計算出結(jié)構(gòu)承受的地震力，通過靜力法我們就把地震作用里轉(zhuǎn)化成以靜力荷載的形式施加到結(jié)構(gòu)物上，也就是把動力問題轉(zhuǎn)換成了計算簡便的靜力問題[36]。我們將地震力以慣性力的形式表示出來，由地面運(yùn)動加速度和質(zhì)量相乘的慣性力：
式（2-1）中，W 是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，M 是結(jié)構(gòu)的重量， K 是地面的加速度峰值和重力加速度的比值稱為水平地震系數(shù)。但是此種分析方法有很大的局限性，沒有將結(jié)構(gòu)自身的動力特性考慮進(jìn)來，它僅僅是將結(jié)構(gòu)在地震時的響應(yīng)當(dāng)成受到靜止慣性力作用，來進(jìn)行內(nèi)力分析。對現(xiàn)場情況等都沒有給出合理的對應(yīng)。一般情況下只在結(jié)構(gòu)的基本周期比地震動的卓越周期小時采用靜力法[37]。
2.2.2 反應(yīng)譜法
1、反應(yīng)譜法的概念
反應(yīng)譜法的特點是把動力問題轉(zhuǎn)化為靜力問題，在應(yīng)用該方法時，我們僅需對結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程進(jìn)行振型分解并進(jìn)行合理的組合[38]，通常在幾個低階振型情況下就能得到較為滿意的結(jié)果。不過反應(yīng)譜法也有以下缺點：
①此種方法只適用于線彈性結(jié)構(gòu)體系的抗震分析；②地震的作用是一個持續(xù)的時間過程，而反應(yīng)譜法無法反映整個過程中的時間經(jīng)歷；③只給出了各振型的最大反應(yīng)值，并不能反映隨時間變化的地震力作用，丟失了相位信息，使得結(jié)果不能十分準(zhǔn)確；④目前相關(guān)疊加方法仍有一定局限性，有時給出的結(jié)果并不能夠令人滿意。
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3.1 依托工程概況....................................... 16
3.2 計算模型的建立....................................... 17
第 4 章 斜拉橋不同結(jié)構(gòu)體系動力分析.....................21
4.1 斜拉橋的動力特性描述................................ 21
4.2 動力特性計算理論..................................... 21
4.2 不同結(jié)構(gòu)體系動力特性分析......................... 22
第 5 章 斜拉橋不同結(jié)構(gòu)體系地震響應(yīng)分析..................35
5.1 時程分析參數(shù)確定..................................... 35
5.2 地震波的選取........................................... 35
第 5 章 斜拉橋不同結(jié)構(gòu)體系地震響應(yīng)分析
本章將對采用時程分析法對該斜拉橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析，動態(tài)時程分析法是純粹的動力分析方法，不同于反應(yīng)譜分析，可以考慮個時間點地震效應(yīng)情況。在分析時需要注意的問題有動力荷載的確定、模型動力時程分析參數(shù)設(shè)置、地震波的選取等[56]。
該模型在進(jìn)行動態(tài)時程分析是采用的積分方法是非線性的直接積分法，瞬態(tài)時程，分析總時間取 50 秒，時間步長取 0.01 s，采用瑞利阻尼法，阻尼比取為0.05，輸入已知的前兩階振型的頻率和阻尼比[57]，軟件可以自動計算出所需的質(zhì)量和剛度因子，以供在后期計算中使用。運(yùn)動方程采用 Newmark-β法進(jìn)行求解，時間積分參數(shù)β值取 1/4。
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通過 Midas 軟件的動態(tài)時程分析，選取幾個重要節(jié)點位置的分析結(jié)果，包括塔頂處的位移、梁端處的位移以及墩頂處位移和索塔塔底的內(nèi)力[61]。在下面，我們將以上關(guān)鍵點的相關(guān)位移和內(nèi)力信息列入表中進(jìn)行對比分析[62]，其中 x、y和 z代表了橋的縱向、橫向和豎向。四種斜拉橋體系的相關(guān)分析結(jié)果如下，下面出現(xiàn)的位移的單位是 m，力的單位是 kN，力矩的單位為 kN·m。
為了能夠更加清晰的看出個結(jié)構(gòu)體系的各個重要節(jié)點處的位移和內(nèi)力的數(shù)值關(guān)系，我們以半漂浮體系的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)[63]，給出了四種結(jié)構(gòu)體系的橫向、縱向和豎向三個方向的最大位移值以及塔底的內(nèi)力的比例對比情況表和對比圖。因為我們是以半漂浮體系為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化后得到的對比表，因此圖表中的數(shù)值不標(biāo)注單位。
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第 6章 結(jié)論與展望
以單塔斜拉橋琿春大橋為背景，對斜拉橋常見的四種體系進(jìn)行動力特性和地震響應(yīng)分析并總結(jié)分析數(shù)據(jù)后，我們得到了以下結(jié)論：
琿春大橋橋址區(qū)地震烈度僅為 6 度，對主橋結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行比較分析后，剛構(gòu)體系整體剛度大，主梁應(yīng)力幅小、穩(wěn)定性好，避免了設(shè)置臨時固結(jié)措施，免除了設(shè)置大型支座，在充分發(fā)揮剛構(gòu)體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，節(jié)約了投資及維護(hù)成本，因此對于琿春大橋來說剛構(gòu)體系是最好的選擇。
在對半漂浮體系的斜拉橋加設(shè)阻尼裝置后，雖然增加了索塔的軸力，但是大大的減小了橋梁結(jié)構(gòu)縱向的變形和塔底的剪力和彎矩，達(dá)到了很好的優(yōu)化效果，結(jié)構(gòu)的整體性以及抗震性都得到了一定的提升。同時設(shè)置阻尼器后的半漂浮體系與琿春大橋所采用的剛構(gòu)體系相比較，保證位移很小的同時，減小了內(nèi)力響應(yīng)。從設(shè)計角度來說，添加了阻尼器裝置的半漂浮體系比直接采用剛構(gòu)體系要更加合理。
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目前，對單塔斜拉橋的優(yōu)化研究還在起步階段，尤其是在斜拉橋抗震設(shè)計上，本文就單塔斜拉橋的不同結(jié)構(gòu)體系抗震性能進(jìn)行了研究對比，但由于時間和能力所限，尚有以下問題需進(jìn)一步研究：
1．論文僅對琿春大橋橋址區(qū)為例，即僅在 6 度烈度下對四種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了對比，在不同烈度下如何選擇結(jié)構(gòu)體系還有待進(jìn)一步研究。
2．斜拉橋的不對稱性，以及在單塔斜拉橋中加設(shè)輔助墩的情況都會影響斜拉橋的整體剛度，這會對抗震性能產(chǎn)生什么樣的影響和差別也有待深入研究。
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參考文獻(xiàn)（略）
本文編號：150149
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