大跨斜拉桥抗震设计

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.
频率/ Hz 0. 074 7 0. 114 4 0. 194 4 0. 244 7 0. 300 9 0. 341 3 0. 414 9 0. 434 4 0. 435 4 0. 456 2
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
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
YA N Dong , Y UA N W an2cheng
(Department of Bridge Engineering , Tongji University ,Shanghai 200092 ,China)
Abstract : Based on t he basic dynamic preformance of cable2stayed bridges and combined wit h t he dis2 placement and acceleration response spect rums ,some met hods of concept ual design for long2span cable2 stayed bridges wit h t he simplified model of floating system are presented. To effectively cont rol t he seismic forces and displacement s which are endured by t he st ruct ure , based on t he analysis of eart h2 quake resistance for a cable stayed bridge ,a spacial2type tower is suggested f rom t he viewpoint of seis2 mic design. The result s indicates t hat t he spacial tower could make a great improvement for t he eart h2 quake2resistant performance of long2span cable2stayed bridges. Key words :cable2stayed bridge ; eart hquake2resistance ; concept ual design
图 1 反应谱曲线 Fig. 1 Response spectrum curves
如图 1 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 2 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.
2 立体桥塔斜拉桥的抗震分析
2. 1 飘浮体系斜拉桥简化分析模型
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同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
第 32 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 1 阶反对称振型具有长周期的 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 单质点振子模型来替代[5 ] (见图 2) .
斜拉桥在世界范围内的应用从 20 世纪 70 年代 开始 ,90 年代迅速发展 ,法国的诺曼底桥和日本的 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 856 m 和 890 m ,已经进入以前 悬索桥适用的特大跨径范围. 而我国的斜拉桥经过 近 30 年的发展 ,建设水平也已跻身世界前列. 特别 是目前正在建设中的苏通大桥 ,连接苏州 、南通 ,主 跨 1 088 m ,居世界第一 ,更是开创了世界斜拉桥建 设史上的新纪元.
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第 10 期
闫 冬 ,等 :大跨度斜拉桥的抗震概念设计
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1 抗震概念设计及斜拉桥概念设计思想
1. 1 抗震概念设计发展现状 20 世纪 70 年代以来 ,人们在总结地震灾害经
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 策的方法[1 ] . 目前 ,桥梁抗震概念设计的实用方法 主要有 2 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 反应的目的[2 ] . 延性设计理论不同于强度理论 ,它 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[3 ] .
图 2 单质点振子模型 Fig. 2 Single2mass model
于是 ,飘浮体系的基本周期可写成
T ∆ 2π M sub/ KT
(1)
式中 : M sub为塔顶处的全桥集中替代质量 ; KT 为塔
顶处的抗推刚度 ,可考虑塔架变截面的影响. 从简化
计算公式可知 :结构 1 阶反对称纵飘振型的周期与
关键词 : 斜拉桥 ; 抗震 ; 概念设计 中图分类号 : U 442. 55 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 374X(2004) 10 - 1344 - 05
Conceptual Seismic De sign for Long2sp an Cable2stayed Bridge s
对于本文所讨论的大跨度斜拉桥则很难采用以 上 2 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.
第 32 卷第 10 期 2004 年 10 月
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同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) JOURNAL OF TON GJ I UN IV ERSITY(NA TURAL SCIENCE)
Vol. 32 No. 10 Oct . 2004
大跨度斜拉桥的抗震概念设计
施工的角度上看 ,高阻尼的弹性限位装置不仅施工 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. 1. 2 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 1 000 m 的特大跨度斜拉桥 ,通常 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 2 s 以内 ,高耸结构的周 期也大多在 5 s 以内 ,而大跨度斜拉桥的基本周期 远远超过 5 s ,南浦大桥的纵向基本周期为 9. 24 s. 对于跨度超过 1 000 m 的超大跨度斜拉桥 ,其纵向 和侧向的基本周期将更长.《公路工程抗震设计规 范》(J TJ 004 —89) 中规定的设计加速度反应谱和位 移反应谱如图 1 所示[4 ] ,图中水平地面加速度峰值 取为 0. 197 g.
闫 冬 ,袁万城
(同济大学 桥梁工程系 ,上Βιβλιοθήκη Baidu 200092)
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.
KT成反比 ,即 :在等效质量不变的前提下 , 若能设 法增大塔顶处的抗推刚度 , 可以减小体系的自振周 期 ,从而减小桥面的刚体位移. 2. 2 某斜拉桥原型的建模与动力特性
本工程是一座主跨为 1 088 m 的特大跨度斜拉 桥 ,跨径布置形式为 : (100 + 100 + 300 + 1 088 + 300 + 100 + 100) m ,全长 2 088 m ,是典型的柔性长周期 结构体系. 经方案比选 ,采用飘浮体系结合高阻尼弹 性限位装置的设计方案 ,倒 Y 形桥塔 ,每侧各设有 2 个辅助墩和 1 个过渡墩. 模型如图 3 所示 ,桥梁结构 的动力特性见表 1.
图 3 某斜拉桥模型图 Fig. 3 Cable2stayed bridge model
表 1 某桥原型动力特性 Tab. 1 Dynamic characteristics of the original bridge
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
周期/ s 13. 395 8. 739 5. 145 4. 087 3. 323 2. 930 2. 410 2. 302 2. 297 2. 192
收稿日期 : 2003 - 10 - 29 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50278068) ;上海市科技发展基金资助项目 (03QF14052) 作者简介 : 闫 冬 (1979 - ) ,女 ,天津人 ,硕士生. E2mail :yandong1222 @hot mail. com