单塔斜拉桥不同结构体系抗震分析
第 1 章 绪论
斜拉桥是一种较为复杂的桥型，它的特点是用主梁通过斜拉索悬吊在索塔上，其主梁受力与普通的梁桥的主梁仅仅受到弯矩不同，由于是组合体系的桥梁，它的主梁承受了拉力和弯压。索塔是斜拉桥的标志性构造物，按照索塔的个数可分成：多塔斜拉桥、双塔斜拉桥和单塔斜拉桥，只有一个索塔的斜拉桥即为单塔斜拉桥。目前，单塔斜拉桥的数量大概占到世界斜拉桥的 1/6 到 1/4 之间，与双塔斜拉桥和单塔斜拉桥的数目，大体上是差不多的[1]。德国于 1960 年建造了第一座单塔斜拉桥 Severin 桥，也是世界上第一座单塔非对称斜拉桥，如图 1.1。跨径为 301.67+150.68m 的 Severin 桥，索塔形状为“A”型，斜拉索呈放射形，结构体系为漂浮体系。该桥的首次釆用的“A”型索塔与横向倾斜的斜拉索面相结合，使得结构非常美观[2]。
修建得最少的为单塔混合梁斜拉桥。1999 年，台湾高屏溪大竣工成为当时仅次于德国的 Flehe 桥的第二大单塔混合梁斜拉桥，单索面跨径为 186+330m。天津的海河桥，跨径 310+210m，是大陆最大的单塔混合梁斜拉桥[12]。我国跨径在 150m 以上的单塔斜拉桥也已经修建了很多，表 1.2中就是主跨跨径达 150m 以上的斜拉桥。从表中我们可以看出，单塔斜拉桥采用的多为塔梁墩固结体系，即刚构体系。塔梁固结体系及半漂浮体系所占的比例较少。
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随着现代社会城市化的不断前行，越来越多的人口聚集到城市当中，对于人口密集的大城市而言，交通就成为极其重要的生命线，城市对这些生命线也更加的依赖[13]，而一旦交通生命线遭到破坏，将影响整个城市生产的运转，导致巨大的经济损失甚至是威胁到人民群众生命财产的安全。地震作为一大自然灾害，频繁发生，在带来重大损失的同时也激发了人们对这种自然灾害的认知的欲望以我们目前的科技水平，要阻止地震发生是不可能的[14]，所以只能去研究它，尽量去全面了解这种自然灾害，以此来做出更加合理的设计，以此来提高结构的抗震能力[15]，将损失降到最低。随着城市中各桥梁形式的建起，也对设计人员提出更高的要求，更需要研究人员来制定出更加合理的规范及相关规定，使设计更加规范化。
虽然斜拉桥的抗震设计从第一座斜拉桥马拉开波(Maracaibo)桥的设计之初就受到了重视[16]，而且随着斜拉桥数量的迅速增长、跨度的不断加大以及桥梁的多样化，其抗震要求也越来越高，但是关于斜拉桥的抗震设计规范及方法却没有得到相应的提高。欧洲规范（EUROCODE8）及美国的 AASHTO 规范都仅适用于主跨不超过150m 的普通钢、混凝土梁或者箱梁桥，而对于斜拉桥、悬索桥等桥型则缺少相关规定[17]。我国现行的《公路桥梁抗震设计细则》在原来基础上重新修订了适用范围，采用多级设防新思想，更加注重桥梁的延性抗震，不过也由于研究工作不充分，认知度不够等因素，需要对单塔斜拉桥抗震做进一步的详细研究。
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第 2章 斜拉桥的结构体系和地震响应分析理论
基于这个原理，斜拉桥主梁的工作方式可以看作是多点弹性支撑点的连续梁，充分利用了钢材的抗拉性和混凝土的抗压性，从而大大降低了主梁材料的用量，减轻了自重，提高了跨越能力。
因为组成斜拉桥的三个主要部分，主梁、塔柱和斜拉索的种类有很多，所以将各部分的不同种类进行相互组合，可以呈现出许多各具特色的桥梁形式。根据已有的工程实践经验，不同的组合方式可以归为四个体系[29]。
（1）漂浮体系
将有塔墩固结、塔梁分离特点的斜拉桥归为漂浮体系，如图 2.1 中所示，梁的两侧端部位置在纵向仅设置竖向约束，可以浮动，属于柔性结构。由于跨中采用斜拉索传力，没有采用竖向支撑来保持受力后的稳定，从而避免了采用竖向支撑后在支撑处产生的过大的负弯矩，保证了作用在斜拉索上的拉力可以均匀分布[30]。由于纵向无约束，这也决定了该体系在温度以及混凝土收缩徐变作用下产生的次内力较小。而且该种体系的主梁在纵向上没有约束，具有一定的浮动能力，所以发生地震时可以通过摆动抵消一部分地震力能量，因此这种体系多在地震烈度高的地区采用。
但是在悬臂施工法时，这种体系的缺点就会体现，施工时需要把主梁和索塔临时固结，以此来保证施工过程中结构的稳定和整体性，但实际在施工时不能完全保证对称，最后拆除临时固结时，会使主梁发生微小的纵向偏移。
（2）半漂浮体系
半漂浮体系，也可以称作支承体系，如图 2.2，漂浮体系斜拉桥在主梁穿过塔桥位置处设置在塔柱横梁上的竖向支承，则成为半漂浮体系。半悬浮体系具有悬浮体系的所有优点外，同时由于其主梁具有较大的刚度，对纵向的位移和变形又具有一定的限制，在施工中又没有更换临时支撑的步骤。但是其在塔墩支撑处[31]，由于内力作用会出现负弯矩，而且由于温度、混凝土收缩徐变产生的内力也很大，所以在支撑处的主梁截面通常需要增加强度。也可以采取相应的技术措施来降低收缩、徐变等给桥梁带来的不利影响。
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通过对过去大量震害资料的统计与观察，以及研究人员对地震理论的不断的深入研究和对经验的总结，，概括起来有三种地震响应分析方法：静力法、反应谱法和动态时程分析法[35]。2.2.1 静力法
静力法是先假设结构的各部位的振动情况与地震动一致，这样就可以根据地震动加速度来计算出结构承受的地震力，通过静力法我们就把地震作用里转化成以静力荷载的形式施加到结构物上，也就是把动力问题转换成了计算简便的静力问题[36]。我们将地震力以惯性力的形式表示出来，由地面运动加速度和质量相乘的惯性力：
式（2-1）中，W 是结构的质量，M 是结构的重量， K 是地面的加速度峰值和重力加速度的比值称为水平地震系数。但是此种分析方法有很大的局限性，没有将结构自身的动力特性考虑进来，它仅仅是将结构在地震时的响应当成受到静止惯性力作用，来进行内力分析。对现场情况等都没有给出合理的对应。一般情况下只在结构的基本周期比地震动的卓越周期小时采用静力法[37]。
2.2.2 反应谱法
1、反应谱法的概念
反应谱法的特点是把动力问题转化为静力问题，在应用该方法时，我们仅需对结构的运动方程进行振型分解并进行合理的组合[38]，通常在几个低阶振型情况下就能得到较为满意的结果。不过反应谱法也有以下缺点：
①此种方法只适用于线弹性结构体系的抗震分析；②地震的作用是一个持续的时间过程，而反应谱法无法反映整个过程中的时间经历；③只给出了各振型的最大反应值，并不能反映随时间变化的地震力作用，丢失了相位信息，使得结果不能十分准确；④目前相关叠加方法仍有一定局限性，有时给出的结果并不能够令人满意。
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3.1 依托工程概况....................................... 16
3.2 计算模型的建立....................................... 17
第 4 章 斜拉桥不同结构体系动力分析.....................21
4.1 斜拉桥的动力特性描述................................ 21
4.2 动力特性计算理论..................................... 21
4.2 不同结构体系动力特性分析......................... 22
第 5 章 斜拉桥不同结构体系地震响应分析..................35
5.1 时程分析参数确定..................................... 35
5.2 地震波的选取........................................... 35
第 5 章 斜拉桥不同结构体系地震响应分析
本章将对采用时程分析法对该斜拉桥进行地震响应分析，动态时程分析法是纯粹的动力分析方法，不同于反应谱分析，可以考虑个时间点地震效应情况。在分析时需要注意的问题有动力荷载的确定、模型动力时程分析参数设置、地震波的选取等[56]。
该模型在进行动态时程分析是采用的积分方法是非线性的直接积分法，瞬态时程，分析总时间取 50 秒，时间步长取 0.01 s，采用瑞利阻尼法，阻尼比取为0.05，输入已知的前两阶振型的频率和阻尼比[57]，软件可以自动计算出所需的质量和刚度因子，以供在后期计算中使用。运动方程采用 Newmark-β法进行求解，时间积分参数β值取 1/4。
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通过 Midas 软件的动态时程分析，选取几个重要节点位置的分析结果，包括塔顶处的位移、梁端处的位移以及墩顶处位移和索塔塔底的内力[61]。在下面，我们将以上关键点的相关位移和内力信息列入表中进行对比分析[62]，其中 x、y和 z代表了桥的纵向、横向和竖向。四种斜拉桥体系的相关分析结果如下，下面出现的位移的单位是 m，力的单位是 kN，力矩的单位为 kN·m。
为了能够更加清晰的看出个结构体系的各个重要节点处的位移和内力的数值关系，我们以半漂浮体系的数据作为标准[63]，给出了四种结构体系的横向、纵向和竖向三个方向的最大位移值以及塔底的内力的比例对比情况表和对比图。因为我们是以半漂浮体系为标准进行量化后得到的对比表，因此图表中的数值不标注单位。
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第 6章 结论与展望
以单塔斜拉桥珲春大桥为背景，对斜拉桥常见的四种体系进行动力特性和地震响应分析并总结分析数据后，我们得到了以下结论：
珲春大桥桥址区地震烈度仅为 6 度，对主桥结构体系进行比较分析后，刚构体系整体刚度大，主梁应力幅小、稳定性好，避免了设置临时固结措施，免除了设置大型支座，在充分发挥刚构体系结构稳定性的同时，节约了投资及维护成本，因此对于珲春大桥来说刚构体系是最好的选择。
在对半漂浮体系的斜拉桥加设阻尼装置后，虽然增加了索塔的轴力，但是大大的减小了桥梁结构纵向的变形和塔底的剪力和弯矩，达到了很好的优化效果，结构的整体性以及抗震性都得到了一定的提升。同时设置阻尼器后的半漂浮体系与珲春大桥所采用的刚构体系相比较，保证位移很小的同时，减小了内力响应。从设计角度来说，添加了阻尼器装置的半漂浮体系比直接采用刚构体系要更加合理。
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目前，对单塔斜拉桥的优化研究还在起步阶段，尤其是在斜拉桥抗震设计上，本文就单塔斜拉桥的不同结构体系抗震性能进行了研究对比，但由于时间和能力所限，尚有以下问题需进一步研究：
1．论文仅对珲春大桥桥址区为例，即仅在 6 度烈度下对四种结构体系进行了对比，在不同烈度下如何选择结构体系还有待进一步研究。
2．斜拉桥的不对称性，以及在单塔斜拉桥中加设辅助墩的情况都会影响斜拉桥的整体刚度，这会对抗震性能产生什么样的影响和差别也有待深入研究。
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参考文献（略）
本文编号：150149
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/150149.html
