大跨度斜拉桥的抗震概念设计

世界一体化和经济全球化是当今世界的主流， 桥梁工程作为交通运输的枢纽， 如果能够进一步成 为洲与洲、 岛屿和岛屿之间的纽带， 将在很大程度上 推动世界经济的迅速发展. 斜拉桥以其优良的结构 形式， 相对低廉的造价， 优美的外形在桥梁建设中起 着不可替代的作用， 随着结构理论的完善、 施工方法 的发展和高强轻质材料的问世， 斜拉桥正朝着特大 跨度的方向发展， 体现出现代斜拉桥的特质.
［ ］ # 单质点振子模型来替代 （见图
表6 某桥原型动力特性 ) 7 , 2 % 6 8 ’ , + # 9 9 : , 5 , 9 3 ) 5 # 3 # 9 . ; 3 : ) . 5 # # ’ , ( 2 5 # / 4 $ $
阶数 ! $ , 2 # 3 1 ) 0 ! ( 周期 ／ % ! , " , 0 # ) " 1 , 0 # " ! 2 # 2 " ( ) 1 , " , $ , $ " 0 , ( $ " 2 ! ( $ " , ( $ $ " $ 0 1 $ " ! 0 $ 频率 ／ . / ( " ( 1 21 ( " ! ! 22 ( " ! 0 22 ( " $ 2 21 ( " , ( (0 ( " , 2 !, ( " 2 ! 20 ( " 2 , 22 ( " 2 , #2 ( " 2 # 3$ 振型模式 反对称纵飘 侧向对称弯曲 竖向对称弯曲 竖向反对称弯曲 侧向反对称弯曲 竖向对称弯曲 竖向反对称弯曲 桥塔侧向同向弯曲 桥塔侧向异向弯曲 竖向对称弯曲
# 立体桥塔斜拉桥的抗震分析
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同济大学学报 （自 然 科 学 版）
第, $卷
大跨度斜拉桥通常采用漂浮体系的结构形式， 飘浮体系斜拉桥的第!阶反对称振型具Hale Waihona Puke Baidu长周期的 隔震性能" 这一振型的特点是： 桥面在纵向水平方向 作稍有反对称弯曲的刚体运动， 并带有塔架的弯曲 振动， 桥面的水平振型位移与塔顶水平位移相近" 在 纵向水平地震的作用下， 这一振型的贡献占绝对优 势" 由于塔顶振型位移与桥面刚体位移接近， 可把桥 面的质量集中堆聚于塔顶， 并将塔架的自身质量换 算成等效质量同样堆聚于塔顶， 就可用一个简单的
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大跨度斜拉桥的抗震概念设计
闫 冬， 袁万城
（同济大学 桥梁工程系， 上海 ! ） " " " & !
摘要：基于斜拉桥的基本动态性能的分析， 结合地震位移反应谱和加速度反应谱， 并利用飘浮体系简化分析模型， 从结构体系的设计中， 提出了斜拉桥的抗震概念设计方法. 考虑通过改善桥塔结构形式， 有效地控制桥塔和桥墩承 担的地震力和上部结构的地震位移. 并通过对某桥梁工程进行抗震分析， 提出了立体桥塔的抗震设计方案， 并验证 了改进方案可以在很大程度上提高超大跨度斜拉桥的抗震性能. 关键词：斜拉桥；抗震；概念设计 中图分类号： =! . ’ ’ 文献标识码： > 文章编号： （ ） " ! ’ # $ # ( ? ! " " % " $ % # $ " ’
第# !卷第% "期 ! " " -年 % "月
同济大学学报 （自 然 科 学 版） （T ） Q R = S T > UR ,F R T V Q W= T W X / S J W F Y > F = S > UJ K W / T K /
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斜拉桥在世界范围内的应用从! "世纪( "年代 开始， 法国的诺曼底桥和日本的 & "年代迅速发展， 多多罗桥第一次把斜拉桥带入特大跨径的领域— — — 其主跨跨径分别为 ) 已经进入以前 ’ *1 和 ) & "1， 悬索桥适用的特大跨径范围. 而我国的斜拉桥经过 近# 建设水平也已跻身世界前列. 特别 "年的发展， 是目前正在建设中的苏通大桥， 连接苏州、 南通， 主 跨%" 居世界第一， 更是开创了世界斜拉桥建 ) )1， 设史上的新纪元.
［ ］ + 移反应谱如图% 所示 ， 图中水平地面加速度峰值
取为" $ % * #!$
通过能力保护构件的塑性变形来抵抗地震作用$ 一 方面， 塑性变形能消耗地震能量， 减小地震影响； 另 一方面， 塑性铰的出现使结构周期延长， 以减小地震
［ ］ & 所产生的惯性力 $
对于本文所讨论的大跨度斜拉桥则很难采用以 上!种概念设计方法$ 原因是， 一方面大跨度斜拉桥 的基本周期较长， 往往落在反应谱曲线的平缓区段， 因而， 减、 隔震的设计方法效果并不显著； 另一方面， 由于斜拉桥在地震荷载作用下， 仍然可以保持弹性 工作状态， 所以延性设计的方案也较难采用， 在现有 的桥梁中， 即便在某些部位采用了延性设计也是出 于能力储备的考虑， 是偏于安全的做法$ 大跨度斜拉桥抗震的突出问题是梁端和塔顶的 位移较大， 使伸缩缝的变形能力不能满足需要$ 现阶 段往往采用设置高阻尼的弹性限位装置的方法限制 纵飘位移$ 高阻尼弹性限位装置的作用是： 当弹性约 束刚度在一定范围内时， 可使塔柱的内力反应变化 不大， 而塔顶和梁端的位移反应可以控制在允许范 围之内$ 实现塔、 梁弹性约束可以采用多种构造措 施， 比较简单的方法主要有斜索构造、 橡胶装置、 大 尺寸铅芯橡胶支座和液压缓冲设备等$ 上述方法虽 然可以解决柔性桥梁结构大位移的问题， 但仍然存 在着许多问题$ 从理论上看， 随着弹性约束刚度的增 大， 梁端位移减小， 而桥面系的水平惯性力和塔底剪 力却会增大， 塔底截面的弯矩变化也比较复杂$ 因 此， 弹性约束刚度的取值问题还有待研究$ 从造价和 # " ! 飘浮体系斜拉桥简化分析模型
［ ］ ! 反应的目的 延性设计理论不同于强度理论， 它 $ ［ ］ % 策的方法
工艺复杂而且价格昂贵$ 所以， 大跨度斜拉桥需要一 套特殊的抗震设计方案， 指导大跨度斜拉桥的设计 与完善$ ! " # 斜拉桥的抗震概念设计思想 斜拉桥由于其大跨度和结构的柔性， 在动力方 面具有不同于一般工程结构的特殊性$ 对于本文所 讨论的跨度超过 %" 通常 " "’ 的特大跨度斜拉桥， 采用飘浮体系的结构形式$ 飘浮体系的斜拉桥是一 种典型的柔性长周期结构， 大于一般结构的周期$ 土 木工程结构的周期大多在 !(以内， 高耸结构的周 期也大多在 )(以内， 而大跨度斜拉桥的基本周期 远远超过 )( ， 南浦大桥的纵向基本周期为 * $ ! +( $ 对于跨度超过 %" 其纵向 " "’ 的超大跨度斜拉桥， 和侧向的基本周期将更长$ 《 公路工程抗震设计规 范》 （ — ） 中规定的设计加速度反应谱和位 , , " " + . *
： 9 5 ’ 2 ) $ ’ E 2 I A 78 6 ; : AL 2 I 3 < 7 6 2 1 3 < C A D 8 C 1 2 6 < A 8 D < 2 L 4 A 0 I ; 2 A 7L C 3 7 A I 2 6 7 < 8 1 L 3 6 A 7M 3 ; : ; : A7 3 I 0 5 B 5 9 ， 4 2 < A 1 A 6 ; 2 6 72 < < A 4 A C 2 ; 3 8 6 C A I 8 6 I A I A < ; C N 1 I I 8 1 A1 A ; : 8 7 I 8 D < 8 6 < A ; N 2 4 7 A I 3 6 D 8 C 4 8 6 0 I 2 6 < 2 L 4 A 0 B B B B 9 9 B I ; 2 A 7L C 3 7 A IM 3 ; :; : AI 3 1 4 3 D 3 A 71 8 7 A 4 8 D D 4 8 2 ; 3 6 I ; A 12 C AB C A I A 6 ; A 7 . F 8A D D A < ; 3 H A 4 8 6 ; C 8 4 ; : A 5 9 B 9I 5 5< ， I A 3 I 1 3 < D 8 C < A I2 6 77 3 I 4 2 < A 1 A 6 ; IM : 3 < :2 C AA 6 7 N C A 7L : AI ; C N < ; N C A L 2 I A 78 6; : A2 6 2 4 I 3 I8 DA 2 C ; : 0 B 5; 5 ， N 2 P A C A I 3 I ; 2 6 < A D 8 C 2 < 2 L 4 A I ; 2 A 7L C 3 7 A 2 I 2 < 3 2 4 0 ; A ; 8 M A C 3 I I N A I ; A 7 D C 8 1; : A H 3 A M 8 3 6 ; 8 D I A 3 I 0 O 5 9 B 5 B 9 9 B 1 3 <7 A I 3 6 . F : A C A I N 4 ; I 3 6 7 3 < 2 ; A I ; : 2 ; ; : A I 2 < 3 2 4 ; 8 M A C < 8 N 4 71 2 P A 2 C A 2 ; 3 1 C 8 H A 1 A 6 ; D 8 C ; : A A 2 C ; : 0 9 B 9 B N 2 P A 0 C A I 3 I ; 2 6 ; A C D 8 C 1 2 6 < A 8 D 4 8 6 0 I 2 6< 2 L 4 A 0 I ; 2 A 7L C 3 7 A I . O B 9 B 5 9 ： ； ； : % " 2 7 -< 2 L 4 A 0 I ; 2 A 7L C 3 7 AA 2 C ; : N 2 P A 0 C A I 3 I ; 2 6 < A< 8 6 < A ; N 2 4 7 A I 3 6 5 9 O B 9 6;
图! 反应谱曲线 " # % ! & ’ ( * + ( ’ ( ’ , . / 0, / . 1 ’ ( $ ) )
如图%所示， 在长周期范围内， 再增大结构周期 对结构受力的作用已非常微弱， 而塔顶和梁端的位 移却会大幅度增加， 对结构抗震极其不利$ 从斜拉桥 概念设计的角度， 希望斜拉桥的周期能够在一个适 当的范围内， 能同时使地震力和位移都在一个允许 的范围内$ 从加速度和位移反应谱上看， 若结构周期 能够同时落在! 条曲线比较平缓的区段内， 便可有 效改善桥梁结构的抗震性能$ 本文提出的大跨度斜 拉桥的概念设计的思想， 是从飘浮体系结构简化分 析模型入手， 并从结构自身出发， 寻求可以同时改善 结构受力性能并减小位移的可行性设计方案， 为斜 拉桥跨度的飞跃打下基础$
第% "期
闫
冬， 等： 大跨度斜拉桥的抗震概念设计
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施工的角度上看， 高阻尼的弹性限位装置不仅施工
! 抗震概念设计及斜拉桥概念设计思想
! " ! 抗震概念设计发展现状 人们在总结地震灾害经 ! "世纪# " 年代以来， 验中提出了 “概念设计” 的思想$ 抗震概念设计是指 根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计原则和 设计思想， 正确地解决结构总体方案、 材料使用和细 部构造， 以达到合理抗震设计的目的$ 抗震概念设计 是从概念上， 特别是从结构总体上考虑抗震工程决 目前， 桥梁抗震概念设计的实用方法 $ 主要有!种： 减、 隔震设计和延性设计$ 减、 隔震设计 是针对周期较短的刚性桥梁结构的一种抗震设计方 法， 当结构周期在加速度反应谱曲线斜率较大的范 围内时， 减、 隔震装置可通过增大结构主振型的周 期， 使结构周期分布在地震能量较小的范围内， 或者 通过增大结构的能量耗散能力来达到减小结构地震
收稿日期： ! " " # $ % " $ ! & 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （ ） ； 上海市科技发展基金资助项目 （ ） ’ " ! ( ) " * ) " # + , % " ’ ! 作者简介：闫 冬 （ ， 女， 天津人， 硕士生. ： % & ( & $） / 0 1 2 3 4 2 6 7 8 6 % ! ! ! !: 8 ; 1 2 3 4 . < 8 1 5 9