第 1 章 緒論

1.1 單塔斜拉橋的發(fā)展概況

斜拉橋是一種較為復雜的橋型，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。索塔是斜拉橋的標志性構造物，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，結構體系為漂浮體系。該橋的首次釆用的“A”型索塔與橫向傾斜的斜拉索面相結合，使得結構非常美觀[2]。

我國從 1975 年開始逐漸著手修建斜拉橋。1981 年，我國在四川阿壩藏族自治州金川縣建設了第一座單塔斜拉橋——曾達橋，跨徑為 39+71m，該橋在技術上有些許創(chuàng)新但規(guī)模較小[8]。1983 年，浙江跨徑 72+54m 的章鎮(zhèn)橋和四川跨徑為55+55m 的廣漢橋也相繼投入使用[9]。1988 年，廣東建設的九江大橋則是我國第一座等跨單塔斜拉橋，跨徑為 160m。2002 年，主跨達到 283+283m 的廣東金馬大橋建成[10]，該橋是規(guī)模較大的一座混凝土單塔斜拉橋。

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 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體系，即剛構體系。塔梁固結體系及半漂浮體系所占的比例較少。

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1.2 研究目的和意義
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)的運轉，導致巨大的經(jīng)濟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害的認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害，以此來做出更加合理的設計，以此來提高結構的抗震能力[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)范及相關規(guī)定，使設計更加規(guī)范化。

雖然斜拉橋的抗震設計從第一座斜拉橋馬拉開波(Maracaibo)橋的設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，但是關于斜拉橋的抗震設計規(guī)范及方法卻沒有得到相應的提高。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規(guī)定[17]。我國現(xiàn)行的《公路橋梁抗震設計細則》在原來基礎上重新修訂了適用范圍，采用多級設防新思想，更加注重橋梁的延性抗震，不過也由于研究工作不充分，認知度不夠等因素，需要對單塔斜拉橋抗震做進一步的詳細研究。

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第 2章 斜拉橋的結構體系和地震響應分析理論

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。

2.1 結構體系的分類
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、塔梁分離特點的斜拉橋歸為漂浮體系，如圖 2.1 中所示，梁的兩側端部位置在縱向僅設置豎向約束，可以浮動，屬于柔性結構。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，以此來保證施工過程中結構的穩(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]，由于內力作用會出現(xiàn)負彎矩，而且由于溫度、混凝土收縮徐變產(chǎn)生的內力也很大，所以在支撐處的主梁截面通常需要增加強度。也可以采取相應的技術措施來降低收縮、徐變等給橋梁帶來的不利影響。

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2.2 斜拉橋地震響應分析理論
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，，概括起來有三種地震響應分析方法：靜力法、反應譜法和動態(tài)時程分析法[35]。2.2.1 靜力法
靜力法是先假設結構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構承受的地震力，通過靜力法我們就把地震作用里轉化成以靜力荷載的形式施加到結構物上，也就是把動力問題轉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，由地面運動加速度和質量相乘的慣性力：
式（2-1）中，W 是結構的質量，M 是結構的重量， 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，沒有將結構自身的動力特性考慮進來，它僅僅是將結構在地震時的響應當成受到靜止慣性力作用，來進行內力分析。對現(xiàn)場情況等都沒有給出合理的對應。一般情況下只在結構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 反應譜法
1、反應譜法的概念
反應譜法的特點是把動力問題轉化為靜力問題，在應用該方法時，我們僅需對結構的運動方程進行振型分解并進行合理的組合[38]，通常在幾個低階振型情況下就能得到較為滿意的結果。不過反應譜法也有以下缺點：

①此種方法只適用于線彈性結構體系的抗震分析；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，使得結果不能十分準確；④目前相關疊加方法仍有一定局限性，有時給出的結果并不能夠令人滿意。

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第 3 章 有限元模型的建立...............................16
3.1 依托工程概況....................................... 16
3.2 計算模型的建立....................................... 17
第 4 章 斜拉橋不同結構體系動力分析.....................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 不同結構體系動力特性分析......................... 22
第 5 章 斜拉橋不同結構體系地震響應分析..................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 斜拉橋不同結構體系地震響應分析

本章將對采用時程分析法對該斜拉橋進行地震響應分析，動態(tài)時程分析法是純粹的動力分析方法，不同于反應譜分析，可以考慮個時間點地震效應情況。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)設置、地震波的選取等[56]。

5.1 時程分析參數(shù)確定

該模型在進行動態(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量和剛度因子，以供在后期計算中使用。運動方程采用 Newmark-β法進行求解，時間積分參數(shù)β值取 1/4。

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5.2 地震波的選取
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力[61]。在下面，我們將以上關鍵點的相關位移和內力信息列入表中進行對比分析[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分析結果如下，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構體系的各個重要節(jié)點處的位移和內力的數(shù)值關系，我們以半漂浮體系的數(shù)據(jù)作為標準[63]，給出了四種結構體系的橫向、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準進行量化后得到的對比表，因此圖表中的數(shù)值不標注單位。

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第 6章 結論與展望

6.1 結論
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行動力特性和地震響應分析并總結分析數(shù)據(jù)后，我們得到了以下結論：
琿春大橋橋址區(qū)地震烈度僅為 6 度，對主橋結構體系進行比較分析后，剛構體系整體剛度大，主梁應力幅小、穩(wěn)定性好，避免了設置臨時固結措施，免除了設置大型支座，在充分發(fā)揮剛構體系結構穩(wěn)定性的同時，節(jié)約了投資及維護成本，因此對于琿春大橋來說剛構體系是最好的選擇。

在對半漂浮體系的斜拉橋加設阻尼裝置后，雖然增加了索塔的軸力，但是大大的減小了橋梁結構縱向的變形和塔底的剪力和彎矩，達到了很好的優(yōu)化效果，結構的整體性以及抗震性都得到了一定的提升。同時設置阻尼器后的半漂浮體系與琿春大橋所采用的剛構體系相比較，保證位移很小的同時，減小了內力響應。從設計角度來說，添加了阻尼器裝置的半漂浮體系比直接采用剛構體系要更加合理。

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6.2 展望
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計上，本文就單塔斜拉橋的不同結構體系抗震性能進行了研究對比，但由于時間和能力所限，尚有以下問題需進一步研究：
1．論文僅對琿春大橋橋址區(qū)為例，即僅在 6 度烈度下對四種結構體系進行了對比，在不同烈度下如何選擇結構體系還有待進一步研究。

2．斜拉橋的不對稱性，以及在單塔斜拉橋中加設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（略）

本文編號：150149