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.
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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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［ ］ ! 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 , , " " + . *
［ ］ + 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
［ 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
［ ］ # 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
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$