大跨度斜拉拱桥抗震性能研究

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大跨度斜拉拱桥抗震性能研究
沿用至今的 JTJ004 — 1989《公路工程抗震设计规范》 ，但此规范只适用于小于 150m 的梁桥与拱桥。而大跨度桥梁由于大尺度性，其受力特性与普通小跨径桥梁有较 大的差别，其抗震设计所需考虑的的问题也更为复杂，如长周期反应谱，几何与 材料非线性，竖向振动和扭转振动、多点激励、多水准设防等等问题，虽然国内 外许多学者都针对这些复杂的因素进行了一系列研究，取得了一些成果，但还没 有形成指导工程设计的行为规范。另外，现今大跨度桥梁抗震设计是以反应谱分 析结果为基础，以输入给定地震波的动力时程反应分析结果为检验。这种方法由 于没有考虑大跨度桥梁特有的动力特性，是不能对桥梁进行合理的抗震设计，这 对桥梁重要生命线功用的发挥和桥梁理论发展都是不利的。所以，对桥梁特别是 新颖的大跨度斜拉拱桥抗震进行全面、系统的研究，不仅有直接的经济意义也有 重大的社会意义。
1.2 大跨度桥梁抗震性能研究的目的和意义
地震是一种破坏力巨大而又难以预测的自然灾害，强震的发生往往会带来巨 大的生命及财产损失，如 1976年我国河北唐山大地震，使整个城市在片刻之间沦 为一片废墟，地震造成 24万余人丧生，直接经济损失近 100亿元人民币 ( 按当时的 币值计算 ) 。 如何确保结构物在地震中的安全， 始终是土木工程发展中的重要问题。 桥梁是交通运输系统中的枢纽工程和生命线，如果桥梁在强震发生时遭到破坏， 不仅导致直接经济损失，而且对抗震救灾和灾区重建也有重要影响。因此，世界 各国都非常重视对桥梁抗震理论研究和设计实践，并且根据本国国情，基本都制 定了相应的结构抗震设防原则与抗震设计规范。我国也于 20世纪 80年代末公布了
湖南大学 硕士学位论文 大跨度斜拉拱桥抗震性能研究 姓名：彭河星 申请学位级别：硕士 专业：桥梁与隧道工程 指导教师：赵跃宇 20070428
硕士学位论文
摘要
大跨度斜拉钢管混凝土拱桥是最近几年才出现的一种斜拉桥与钢管混凝土拱 桥组合而成的新型桥，它不但展示了斜拉桥和拱桥的各自特点，使两种桥型的优 点得到互补，而且实现了桥梁美学上的一次突破—拱上作用斜拉索使桥梁显得更 加美观。目前，人们对大跨度桥梁的抗震研究开始重视，并取得了一些研究成果。 然而，对于大跨度斜拉钢管混凝土拱桥这一新型桥梁结构，相关的抗震研究还非 常少，这对这类桥型力学性能的全面认识以及合理设计是不利的。本文以湘潭四 大桥为工程依托，针对大跨度斜拉钢管混凝土拱桥抗震性能，进行了以下几个方 面的研究。 1 ． 总结了现有非一致地震激励模型的研究，并基于 Harichandran&Vanmarche 一维相干函数模型，采用矢量随机过程理论，提出了与实桥工程地质条件相适应 的非一致地震激励模型。 2 ． 以湘潭四大桥为工程背景，利用 ANSYS 对其进行了三维非一致激励下的 地震响应分析。同时探讨了主拱肋内倾角、吊杆布置形式、横撑型式、斜拉索在 拱上位置、宽跨比和主拱弦管刚度等因素对大跨度斜拉钢管混凝土拱桥的抗震性 能的影响。 3 ． 利用考虑了几何非线性的空间梁单元和小应变、大变形条件下的钢管混凝 土的弹塑性空间梁单元，对大跨度斜拉钢管混凝土拱桥进行了几何与材料非线性 的时程分析，对比研究了大跨度斜拉钢管混凝土拱桥与相同跨径中承式拱桥的几 何非线性抗震性能，同时应用最大反应塑性率的概念对大跨度斜拉钢管混凝土拱 桥的材料非线性地震响应进了评价。 4 ． 利用多维随机振动理论，对比分析了大跨度斜拉钢管混凝土拱桥与相同跨 径中承式拱桥的抗震性能。
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硕士学位论文
Keywords : long-span ； cable-stayed arch bridge; seismic response; asynchronous seismic model; nonlinear; the maximum response plastic rate.
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湖 南 大 学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日 日硕士学位论文第1章来自1.1 引言绪
论
最近几十年来，我国的拱桥事业得到了快速的发展，自 1990 年四川旺苍东河 大桥 [1] ——我国第一座钢管混凝土拱桥修建以来， 现在建成和在建的钢管混凝土拱 桥已达到 200 多座。其中，最大跨径达到 460 多米 [2] ，这已经接近了普通拱桥的的 跨径极限。另外，随着社会的进步和生产力的发展，桥梁结构不仅仅是为了跨越 河流和障碍物这一基本功能，人们对桥梁美学越来越重视，对造型的美学效果提 出了更高的要求。为了实现拱桥向更大跨度发展和满足更高的美学要求，在最近 几年里出现了一种新的拱桥桥型——斜拉拱桥。 斜拉拱桥是由斜拉桥和拱桥的主要构件组合而成的桥梁，它是一种以拱结构 受力为主，斜拉索受力为辅的组合结构。斜拉拱桥既展示了斜拉桥、拱桥的特点， 又使得两种桥型的优点得到了相互补充。与拱桥相比，斜拉拱桥的斜拉索锚固在 拱圈上，为拱圈提供了多点的弹性支承，可以增加拱桥的跨径，降低拱脚处的弯 矩，从而提高了桥梁结构的面内稳定性和面外的抗风稳定性；另外，由于有拱圈 承受部分来自桥面的荷载，可降低斜拉索索力，在塔的另外一侧可不必设辅助墩， 同时也可降低塔的截面积，缩短斜拉索的索长，降低索垂度的影响，提高结构刚 度，从而提高了桥面横向的抗风刚度。此外，在桥梁的施工阶段，可利用塔进行 缆索吊装法施工，降低施工阶段的成本 [3]。 基于以上优点，这种新颖的桥型将有广发的应用前景。该桥适宜建在对美观 要求较高的风景区，以达到与环境的协调一致；也可作为一种新颖的拱桥形式应 用于高风压分布地区；非常适宜用于城市地区的市政工程中。
关键字 ： 大跨度；斜拉拱桥；地震响应；激励模型；非线性；最大反应塑性率
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大跨度斜拉拱桥抗震性能研究
Abstract
The long-span cable-stayed concrete filled steel-tubular arch bridge is a kind of new bridge structure form, which combines the cable-stayed bridge and the arch bridge harmoniously. It exhibits the respective merits of the cable-stayed bridge and the arch bridge, and makes two kinds of advantages of bridge type get to add mutually. It is also a breakthrough in the aesthetics of bridge that the cables fasten on the arch rib make the bridge more beautiful. But as same as other type long-span bridges, The problem of anti-seismic is unavoidable to the cable-stayed arch bridge. And there is also a little of study reference about anti-seismic of the cable-stayed arch bridge. In this dissertation, based on the forth bridge of XIANGTAN, certain problem relating to seismic response behavior of the cable-stayed arch bridge are studied. They included: 1. The recent studies on asynchronous seismic model are summarized. And based on Harichandran&Vanmarche one dimension coherence model and the geological conditions, the asynchronous seismic model is developed by one dimension stochastic vector process, and the spatial relation is included in the model. 2. With cable-stayed arch bridge which is the forth bridge of XIANGTAN for engineering background, make use of large and general finite element soft ANSYS to analysis the seismic response behavior under the spatial asynchronous seismic model. And on the basis of the linear finite element model, the effect of different factor such as the sloping angle of arch rib , the form of the hangers, the arrangement form of the lateral brace, ratio of the width to the span, the stiffness of the arch rib, the cables position on the arch rib etc is discussed. 3. The geometric nonlinear seismic response behavior of the cable-stayed arch bridge is analysis. Based on the elastic-plastic stiffness matrix of concrete filled steel-tubular (CSFT), the material nonlinear seismic response behavior of the cable-stayed arch bridge is also studied. The different anti- seismic capability between the cable-stayed arch bridge and the same span tie-through arch bridge is studied. And based on the concept of the maximum response plastic rate, the estimate of material nonlinear seismic response behavior is developed. 4. The linear stochastic seismic response analysis of the cable-stayed arch bridge and the same span tie-through arch bridge are studied and analysed.