（市政工程专业论文）大跨度悬索桥的地震反应分析.pdf

摘要 每一次大地震的发生，都会给人们的生命和财产造成极大的危害。随着社 会的发展，城市的繁荣，地震造成的危害在不断的扩大。作为生命线工程之一 的桥梁结构的破坏，更会加重次生灾害的程度，致使更为严重的生命财产及经 济损失。现有的桥梁设计规范采用的反应谱抗震分析方法，只考虑一致地震激 励的影响，而实际地震过程中，由于震源、地震波传播路径、局部场地条件等 的差异导致了桥梁各支承点的实际地震动是不同的，所以有必要对桥梁结构进 行考虑行波效应的多点激励分析。 本文主要从地震动输入、结构自身特性、结构反应分析三个方面出发，在 国内外有关研究成果的基础上，以某大跨度悬索桥为工程背景，对该桥在多点 一致激励和考虑地震行波效应的地震反应进行以下几方面的研究： ( 1 ) 本文对时程分析法、反应谱法、随机震动分析方法进行了总结，比较了 彼此的优缺点。研究和讨论了多点激励下动力响应分析在桥梁实际工程中的应 用情况； ( 2 ) 利用通用有限元分析软件a n s y s ，通过适当简化，建立该桥模型，并对 其进行自振特性分析： ( 3 ) 对该桥进行一致激励下的地震反应分析，同时探讨纵向输入、纵向+ 竖向 输入和三向输入对结构地震反应的影响，并对相同输入条件下桥梁结构各关键 截面的主要位移及内力反应进行比较和分析，得到一些有益的结论： ( 4 ) 在考虑行波效应情况下，对该桥进行多点激励分析，并把不同波速的行 波激励的地震响应与一致激励的地震响应做对比，发现行波效应对该桥桥的影 响显著。1 ) 不同波速的行波效应产生不同的影响。从整体上说波速越小，产生 的位移与内力的影响就越大，但是不同的波速对该桥的影响程度是不同的。并 且不同波速之间，内力存在较大的差异现象，并且存在一定的延迟现象，延迟 的时间主要由地震波传播方向与支承点距离决定。2 ) 行波效应对该大桥的主塔 的内力和主梁的内力、竖向挠度影响比较大。总体来说，在大跨度桥梁抗震设 计与计算中，行波效应的作用是不可忽视的。 关键词：大跨度悬索桥，抗震分析，多点激励，行波效应 a b s t r a c t e v e r ye a r t h q u a k ed i s a s t e rb r o u g h tg r e a td a m a g et ot h es a f e t yo fl i f e a n d p r o p e r t yf o rp e o p l e t h em o r ep r o s p e r o u st h ec i t i e sa n dt h es o c i e t yb e c a m e ，t h e m o r ed a m a g ee a r t h q u a k ed i s a s t e rb r o u g h t i ft h eb r i d g e sw h i c hl o o k e da sv e r y i m p e r t a n ts t r u c t u r e sb yp e o p l ef o rc o n n e c t i n gw i t hp e o p l e sl i f ec o l l a p s e dc a u s e d b ye a r t h q u a k e ，t h ei n d i r e c td i s a s t e rw i l lt a k eu pt ob r i n gm o r el o s so fl i f ea n d p r o p e r t y n o w ，w eu s u a l l ye m p l o y t h er e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i sw h i c hi sd e f i n e d i nt h ee a r t h q u a k e r e s i s t a n c ec o d ef o rb r i d g ed e s i g n i nf a c t ，b e c a u s et h ed i f f e r e n t s u p p o r t i n gp o i n t sb e a rt h ev a r i a n te a r t h q u a k em o t i o nw h i c h a r e p r o d u c e db yv a r i a n t h y p o c e n t e r ，e a r t h q u a k ew a v ep r o p a g a t i o np a t ha n dg r o u n d i n t h i st h e s i s ，im a i n l yc o n s i d e rt h et h r e ea s p e c t si ne a r t h q u a k ea n a l y s i s ：t h e w a y so fe a r t h q u a k ei n p u t i n g 、t h eb r i d g e sc h a r a c t e r s 、b r i d g e se a r t h q u a k er e s p o n s e c o n s i d e r i n gt r a v e l l i n g w a v ee a r t h q u a k er e s p o n s ew e r es t u d i e da sf o l l o w so nt h e b a s i so ft h es t u d ya c h i e v e m e n t sa th o m ea n da b r o a da n do nt h eb a s i so fo n e l o n g s p a na n ds u s p e n s i o nb r i d g e ( 1 ) t h es t u d yo fa n a l y s i sa p p r o a c ho fe a r t h q u a k er e s p o n s e s e v e r a la n a l y s i s m e t h o d su s e dt oc a l c u l a t et h e e a r t h q u a k er e s p o n s e o fb r i d g e s ，s u c ha st h e t i m e h i s t o r ya p p r o a c h ，t h e r e s p o n s es p e c t r u ma p p r o a c h ，r a n d o m v i b r a t i o n a p p r o a c h ，a r e i n t r o d u c e da n dd i s c u s s e d t h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o fd y n a m i c b a l a n c ee q u a t i o n so fm u l t i p o i n te x c i t a t i o na r es t u d i e da n dd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ； ( 2 ) t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h es t r u c t u r ew a sf o r m e dt h r o u g hr e a s o n a b l e s i m p l i f i c a t i o n a n ds t r u c t u r a ld y n a m i cp r o p e r t i e sw e r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h e f a m o u sp r o g r a mo fa n s y s s t r u c t u r ed y n a m i cp r o p e r t i e sw e r ep e r f o r m e d ； ( 3 ) t h er e s p o n s e st ou n i f o r me x c i t a t i o no fe a r t h q u a k ea b o u tt h el o n g s p a na n d s u s p e n s i o nb r i d g ew e r ea n a l y s e d s t r u c t u r a ls e i s m i cr e s p o n s e st h a ts e i s m i cw a v e w a si n p u t e df r o ml o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n ，l o n g i t u d i n a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o n s ，t h r e e d i r e c t i o n sw e r ed i s c u s s e d i n t e r n a lf o r c e sa n dd i s p l a c e m e n t so fs t r u c t u r a lc r u c i a l s e c t i o n sw e r ec o m p a r e d s o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n sw e r eg a i n e d ； ( 4 ) t h er e s p o n s e st ot r a v e l l i n g - w a v e a n ds u s p e n s i o nb r i d g ew e r ea n a l y s e d i n e f f e c to fe a r t h q u a k ea b o u tt h el o n g s p a n t h es t u d y ，t h ec o n t r a s to ft h en o n u n i f o r m m u l t p i o n te x c i t a t i o nt ou n i f o r me x c i t a t i o n ，t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h et r a v e l l i n g w a v e e f f e c ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h el o n g - s p a na n ds u s p e n s i o nb r i d g e t h ed i f f e r e n t w a v es p e e d sp r o d u c ev a r i a n te f f e c t s i ng e n e r a l ，t h el i t t e r i st h ew a v es p e e d ，t h e b i g g e re f f e c ti st h ei n t e r n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n t ，b u tt h ed i f f e r e n tw a v es p e e d c a u s et h ed i f f e r e n te f f e c t a n db e t w e e nd i f f e r e n tw a v e sd e l a yp h e n o m e n ai s o c c u r r e d t h et i m ei sd e c i d e db yt h ed i r e c t i o no ft h et r a n s m i t i n ge a r t h q u a k e sw a v e a n dt h ed i s t a n c eo ft h es u p p o r t i n gp o i n t s i ti sv e r yo b v i o u s l yt h a tb r i d g ei n t e r n a l t 6 r c ea n dd i s p l a c e m e n th a v eg r e a tc h a n g ec a u s e db yt r a v e l l i n g w a v e t h ee f f e c t s a r ev e r yo b v i o u si na m o u n t t h er e s p o n s e st ot r a v e l l i n g w a v ee f f e c to f e a r t h q u a k e b e n e f i t st ot h ei n t e r n a lf o r c eo ft h em a i nt o w e r s ，b u ti ti sb a df o rt h em a i nb e a m k e y w o r d s ：t h el o n g s p a na n ds u s p e n s i o nb r i d g e ，s e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ， m u l t p o i n te x c i t a t i o n ，t h et r a v e l l i n g - w a v ee f f e c to fe a r t h q u a k e 插图清单 图1 1 美国式悬索桥图3 图1 2 英国式悬索桥3 图3 1 某大跨悬索桥a n s y s 模型图图2 l 图3 2 模态lf i = o 0 8 5 6 7 4 6 2 3 图3 3 模态2f 2 = 0 0 9 8 6 0 5 7 2 3 图3 4 模态3f ：o 1 0 1 0 6 0 0 2 3 图3 5 模态4f 4 = 0 12 0 3 10 0 2 4 图3 6 模态5f s = 0 1 2 0 7 9 2 4 图3 7 模态6f 6 = 0 15 6 5 3 0 2 4 图3 8 模态7f t = 0 17 6 9 8 0 0 2 5 图3 - 9 模态8f ：o 2 18 2 7 0 0 一2 5 图3 1 0 模态9f g = 0 2 4 6 1 6 0 0 。2 5 图3 11 模态10r i o = 0 2 4 6 410 0 2 6 图3 1 2 模态1 1i l l = 0 2 8 3 4 3 0 0 2 6 图3 1 3 模态1 2f i 2 = 0 2 8 5 6 1 0 0 2 6 图3 1 4 模态1 3f 1 3 = o 2 9 9 5 8 0 0 2 7 图3 15 模态1 4f 1 4 = o 2 9 9 5 9 0 0 2 7 图3 1 6 模态1 5f i s = 0 3 0 2 5 4 0 0 2 7 图3 17 模态16f i 6 = 0 3 0 7 4 9 0 0 2 8 图3 18 模态17f i t = o 3 0 8 2 3 0 。2 8 图3 1 9 模态1 8f i g = 0 3 2 2 6 3 0 0 2 8 图3 2 0 模态19f i g = 0 3 2 2 7 2 0 0 2 9 图3 21 模态2 0f 2 0 = o 3 2 6 2 0 0 0 2 9 图4 1e 1 c e n t r o 地震波东西向时程图3 3 图4 2e 1 c e n t r o 地震波南北向时程图3 3 图4 3e 1 c e n t r o 地震波竖向时程图3 3 图4 4 纵向一致激励下一号塔顶位移时程u x 3 5 图4 5 纵向一致激励下二号塔顶位移时程u x 3 5 图4 6 纵向一致激励下三号塔顶位移时程u x 3 5 图4 7 纵向一致激励下左跨跨中位移时程u z 3 5 图4 8 纵向一致激励下右跨跨中位移时程u z 3 5 图4 9 纵向+ 竖向一致激励下一号塔顶位移时程u x 3 5 图4 1 0 纵向+ 竖向一致激励下二号塔顶位移时程u x 3 5 图4 1 1 纵向+ 竖向一致激励下三号塔顶位移时程u x 3 5 图4 1 2 纵向+ 竖向一致激励下左跨跨中位移时程u z 3 6 图4 1 3 纵向+ 竖向一致激励下右跨跨中位移时程u z 3 6 图4 1 4 三向一致激励下一号塔顶位移时程u x 3 6 图4 1 5 三向一致激励下二号塔顶位移时程u x 3 6 图4 16 三向一致激励下三号塔顶位移时程u x 3 6 图4 17 三向一致激励下一号塔顶位移时程u y 。3 6 图4 18 三向一致激励下二号塔顶位移时程u y 3 6 图4 1 9 三向一致激励下三号塔顶位移时程u y 3 6 图4 2 0 三向一致激励下左跨跨中位移时程u y 3 7 图4 2 1 三向一致激励下右跨跨中位移时程u r y 一3 7 图4 2 2 三向一致激励下左跨跨中位移时程u z 。3 7 图4 2 3 三向致激励下右跨跨中位移时程u z 一3 7 图4 2 4 纵向一致激励下一号塔底弯矩时程m y 4 1 图4 - 2 5 纵向致激励下一号塔底剪力时程f x 4 l 图4 2 6 纵向致激励下二号塔底弯矩时程m y 。4 1 图4 2 7 纵向一致激励下二号塔底剪力时程f x 4 l 图4 2 8 纵向致激励下三号塔底弯矩时程m y 4 1 图4 2 9 纵向一致激励下三号塔底剪力时程f x 4 1 图4 3 0 纵向一致激励下左跨跨中弯矩时程m y 4 1 图4 3 l 纵向一致激励下右跨跨中弯矩时程m y 4 1 图4 3 2 纵向+ 竖向一致激励下一号塔底弯矩时程m y 4 2 图4 3 3 纵向+ 竖向一致激励下一号塔底剪力时程f x 4 2 图4 3 4 纵向+ 竖向一致激励下二号塔底弯矩时程m y 4 2 图4 3 5 纵向+ 竖向一致激励下二号塔底剪力时程f x 4 2 图4 3 6 纵向+ 竖向一致激励下三号塔底弯矩时程m y 4 2 图4 3 7 纵向+ 竖向一致激励下三号塔底剪力时程f x 4 2 图4 - 3 8 纵向+ 竖向一致激励下左跨跨中弯矩时程m y 4 2 图4 3 9 纵向+ 竖向一致激励下右跨跨中弯矩时程m y 4 2 图4 4 0 三向一致激励下一号塔底弯矩时程m y 4 3 图4 4 1 三向一致激励下一号塔底剪力时程f x 4 3 图4 4 2 三向一致激励下二号塔底弯矩时程m y 4 3 图4 4 3 三向一致激励下二号塔底剪力时程f x 4 3 图4 4 4 三向一致激励下三号塔底弯矩时程m y 4 3 图4 - 4 5 三向一致激励下三号塔底剪力时程f x 4 3 图4 4 6 三向一致激励下左跨跨中弯矩时程m y 4 3 图4 4 7 三向一致激励下右跨跨中弯矩时程m y 4 3 图4 4 8 纵向激励下一号塔顶位移时程u x 4 7 图4 4 9 纵向激励下二号塔顶位移时程u x 4 7 图4 5 0 纵向激励下三号塔顶位移时程u x 4 7 图4 5 l 纵向激励下左跨跨中位移时程u z 4 7 图4 5 2 纵向激励下右跨跨中位移时程移u z 4 7 图4 5 3 纵向+ 竖向激励下一号塔顶位移时程u x 4 7 图4 5 4 纵向+ 竖向激励下二号塔顶位移时程u x 4 7 图4 5 5 纵向+ 竖向激励下三号塔顶位移时程u x 4 7 图4 5 6 纵向+ 竖向激励下左跨跨中位移时程u z 4 8 图4 5 7 纵向+ 竖向激励下右跨跨中位移时程u z 4 8 图4 5 8 三向激励下一号塔顶位移时程u x 4 8 图4 5 9 三向激励下二号塔顶位移时程u x 4 8 图4 6 0 三向激励下三号塔顶位移时程u x 4 8 图4 6 1 三向激励下一号塔顶位移时程tr y 4 8 图4 6 2 三向激励下二号塔顶位移时程u y 4 8 图4 6 3 三向激励下三号塔顶位移时程u y 4 8 图4 6 4 三向激励下左跨跨中位移时程u y 4 9 图4 6 5 三向激励下右跨跨中位移时程u y 4 9 图4 6 6 三向激励下左跨跨中位移时程u z 一4 9 图4 6 7 三向激励下右跨跨中位移时程u z 4 9 图4 6 8 纵向激励下左跨跨中弯矩时程m y 5 2 图4 6 9 纵向激励下左跨跨中轴力时程f x 5 2 图4 7 0 纵向激励下右跨跨中弯矩时程m y 5 2 图4 7 l 纵向激励下右跨跨中轴力时程f x 5 2 图4 7 2 纵向+ 竖向激励下左跨跨中弯矩时程m y 5 2 图4 _ 7 3 纵向+ 竖向激励下左跨跨中轴力时程f x 5 2 图4 7 4 纵向+ 竖向激励下右跨跨中弯矩时程m y 5 2 图4 7 5 纵向+ 竖向激励下右跨跨中轴力时程f x 5 2 图4 7 6 三向激励下左跨中弯矩时程m y 。5 3 图4 7 7 三向激励下左跨中轴力时程f x 5 3 图4 7 8 三向激励下右跨中弯矩时程m y 5 3 图4 7 9 三向激励下左跨中轴力时程f x 5 3 插表清单 表3 1 主要材料参数2 1 表3 2 该大跨悬索桥前2 0 阶自振特性表2 2 表4 1 不同数值方法下各控制点纵向位移u x ( m ) 最值比较3 9 表4 2 不同数值方法下各控制点竖向位移u z ( m ) 最值比较3 9 表4 3 不同数值方法下各控制点横向位移u y ( m ) 最值比较3 9 表4 4 不同数值方法下各控制截面纵向内力v x ( n ) 最值比较4 4 表4 5 不同数值方法下各控制截面横向内力m y ( n m ) 最值比较4 5 表4 6 纵向激励下控制点处纵向位移u x ( m ) 最值比较5 0 表4 7 纵向激励下控制点处竖向位移u z ( m ) 最值比较5 0 表4 8 纵向+ 竖向激励下控制点处纵向位移u x ( m ) 最值比较5 0 表4 9 纵向+ 竖向激励下控制点处竖向位移u z ( m ) 最值比较5 0 表4 1 0 三向激励下控制点处纵向x ) 位移最大值( m ) 比较5 l 表4 1 1 三向激励下控制点处竖向位移u z ( m ) 最大值比较。5 1 表4 1 2 纵向激励下控制截面内力最值m y ( n m ) 比较5 4 表4 1 3 纵向激励下控制截面内力最大值f x ( n ) 比较5 4 表4 1 4 纵向+ 竖向激励下控制截面内力最值m y ( n 宰m ) 比较5 4 表4 1 5 纵向+ 竖向激励下控制截面内力最大值r x ( n ) 比较5 4 表4 1 6 三向激励下控制截面内力最值m y ( n m ) 比较5 5 表4 1 7 三向激励下控制截面内力最值f x ( n ) 比较。5 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：融台北字日期：州。年归珈 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a 曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。 本人授权金壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 叩龃气 签字日期：奄年细瑚日 学位论文作者毕业后去向： 黧i 舻通讯地址：l 导师签雹硼，7、n 签字日期：歹刃9 年矽月堋 嘲嗨彬护邮编： 厶 致谢 本文是在导师王建国教授的关怀和指导下完成的，从论文的选题、研究思 路到论文的每一项细节工作，都凝聚着导师的悉心教诲。在二年半的研究生学 习阶段，导师总是在百忙中抽出时间给予我关怀和培养，经常询问大家的学习 情况和课题进展情况，使学生受益匪浅。王老师在无保留地向我传授专业知识 的同时也交给了我很多做人做事的道理，并且王老师渊博的知识、严谨的治学 态度、高尚的品格、严格的要求和平易近人的作风，给我留下了深刻的印象， 这笔可贵的精神财富将使我终生受益。在此，谨向恩师表示由衷的敬意和感谢! 在这里，还要感谢3 0 1 实验室的众多兄弟姐妹们，在一起生活的二年半时间 里，我们成为了非常要好的朋友。与你们相识我感到十分幸运，与你们相处我 感受到了同门的亲切、战友的情谊、团队的力量。特别特别要感谢逢焕平等许 多博士师兄在我整个研究生期间给我的无私帮助，尤其在自己的课题研究、论 文完成过程中，你们更是给予了准确的指导和极大的帮助。是你们的关心和帮 助，使我顺利地完成了学业。在此祝愿你们今后都能学有所成，工作顺利! 感谢参加参与本论文审阅和在答辩会上给予我指导和帮助的各位老师和专 家。 最后，感谢我的家人和朋友长久以来给予我的支持和鼓励! 第一章绪论 悬索桥，就是指以悬索为主要承重结构的桥1 1 】。其主要构件为：缆、塔、 锚、吊索、加劲梁及桥面，一般还有。它的受力方式为：荷载由主梁传给吊索， 吊索传给主缆，再传给主塔或者锚墩，传力的途径简单、清晰、明确。 悬索桥是大跨度桥梁和超大跨度桥梁的主要结构形式，因其主要杆件受拉 力，材料利用效率最高，更由于近代悬索桥的主缆采用高强钢丝，使其能比其 它形式的桥梁更能经济合理地修建大跨度桥梁。 悬索桥有如下特点：构造简单，受力明确：对于大跨径桥梁，材料耗费少、 造价低。由于这个原因，到目前为止，全世界跨径超过1 0 0 0 米的，基本都是悬 索桥。近代悬索桥的主缆用高强钢丝束制成，这种钢丝束的容许应力很高，对 承重结构没有任何削弱；建筑高度小，易于加固和改建。这些特点表明，悬索 桥的自重较轻，在刚度满足使用要求的情况下能充分显示出优越性。 1 1悬索桥的历史和发展概况 1 1 1 悬索桥的发展历史 悬索桥的构思据说来源于猴桥，它是由若干强壮的猴子组成一条悬链来让生病的 猴子或者年老体衰的猴子通过的桥梁1 2 】。 悬索桥起源于中国，在英国得到革新，在美国得到发展，最后在日本得到 广泛应用【3 】。如果从笮桥和藤索桥算起，我国的悬索桥发展已经跨过了2 0 0 0 多 年的历史，跨径1 0 0 米的铁索桥最早出现在公元前5 0 年的四川境内【4 】。在封建社 会中，铁索是一种被广泛应用的工具，我国出现了不计其数铁索桥。欧美直到 1 7 世纪才出现悬索桥，其主要原因是他们在建桥技术和炼铁技术方面落后于我 国。 我国贵州境内在1 6 2 9 年建成了一座跨度为1 2 2 米的铁索桥，虽然这座桥被传 教士m a r t i n i 介绍给了西方诸国，但是直到l7 4 1 年，英国才建成欧洲第一座跨度 为2 2 3 米铁索桥一一惆氏桥。虽然悬索桥的建造历史悠久，但直到十九世纪初 期，英国建成了第一座跨经为1 2 4 米的钢丝主缆人行天桥，才真正揭开了现代悬 索桥的发展序幕聆1 。1 9 世纪后，欧洲各国大力发展悬索桥，特别是英国着手修 建了许多著名的悬索桥。这些悬索桥的跨径比中国的古桥略大，桥面能够行驶 马车，其中一些悬索桥增加了斜拉索，主缆也开始用眼杆链。同期美国也修建 了一批铁索桥。法国悬索桥的发展虽然慢但是很有特色，在1 8 2 0 年前后发明了 用铁丝制作主缆，还提出了用无端索作为主缆的施工方法。在法国学习的e l l e t 将无端索的施工方法带回了美国，并经j a r o e b l i n g 大力发展。 由于大城市的兴起与发展，在1 9 世纪末n 2 0 世纪初，美国在纽约市的东河 之上修建了一些著名的悬索桥。例如18 8 3 年的布鲁克林桥、19 0 3 年的威廉斯堡 桥、1 9 0 9 年的曼哈顿桥。到了3 0 年代，跨度超过1 0 0 0 米的华盛顿桥、金门桥的 建成使美国在建造悬索桥方面的成就处于世界领先水平。进入4 0 年代，老塔可 马桥的风毁事故使得美国建造悬索桥的速度放慢了许多，后来经过大批桥梁专 家学者们的研究和反复思考，上世纪5 0 年代美国的大跨悬索桥事业又蓬勃发展 起来。1 9 6 4 年建成的韦拉扎诺桥是其突出的表现，该桥为双层桥面，有1 2 车道， 跨度为1 2 9 8 米。这一世界跨度记录直n 8 0 年才被打破。第二次世界大战后，其 它西方国家的悬索桥发展后来居上。最具有代表性的有：英国建成跨度1 0 0 6 米 的福斯公路桥和主跨9 8 8 米的塞文桥，葡萄牙建成主跨1 0 1 3 米的4 月2 5 日大桥。 继而英国在1 9 8 1 年建成的主跨1 4 1 0 米为恒伯尔桥，保持世界跨度记录长达1 7 年 之久。 在亚洲，日本由于在经济上的优势从6 0 年代开始修建许多跨径大于3 0 0 米的 悬索桥：有1 9 6 2 年建成主跨3 6 7 米的若户桥，1 9 8 8 年建成主跨1 1 0 0 米的南备赞大 桥。南备赞大桥的建成结束了亚洲无干米跨大桥的历史。特别是1 9 9 8 年，主跨 1 9 9 0 米的明石海峡大桥的建成，标志着大跨度悬索桥修建重心由欧美转移到了 亚洲。 2 0 世纪9 0 年代悬索桥在中国有了快速的发展阳3 ，其主要成就有：1 9 9 5 年建 成的主跨为9 0 0 米的西陵长江大桥，1 9 9 7 年建成的主跨8 8 8 米的虎门大桥，1 9 9 8 年建成的主跨为13 7 7 米香港青马大桥和19 9 9 年建成的主跨为1 3 8 5 米江阴长江大 桥。香港青马大桥与江阴长江大桥分别一跃排入了世界大跨度桥梁序列中的第 五位与第四位。汕头海湾大桥，主跨为4 5 2 米，采用预应力混凝土加劲梁，其跨 径在世界同类桥梁中是最大的。这一批大跨度桥梁的建成，填补了我国在大跨 度悬索桥建设上的空白，使我国现代化悬索桥的发展得到了推进。我国在现代 化大跨悬索桥设计、分析、建造技术，迅速跨入了世界先进行列口3 。 1 1 2 世界悬索桥的现状 目前，美国、英国和日本是全世界公认的三个悬索桥大国。世界上已经出 现了各类悬索桥l o o 多座，跨径超过1 0 0 0 米的共有1 7 座。6 0 年代以后，美国很少 再修建新的悬索桥，可是他依然还是世界上拥有与修建悬索桥最多的国家，有4 座跨度超过1 0 0 0 米的悬索桥。在已建成的主跨最大的悬索桥是日本明石海峡大 桥，该桥主跨为19 9 1 米，在所有桥型中，当前它的主跨跨径也是最大的。最大 跨度为5 0 0 0 米的直布罗陀海峡大桥，首选桥型无可厚非的是悬索桥，这种大桥 方案是由美国林同炎教授提出，目前方案正处于构思之中哺引。一旦方案付诸 实践了，这将是世界悬索桥史上的另一丰碑。 在修建悬索桥上，美国是先驱，其悬索桥已经经历了一百年的发展，成熟 的建桥技术为世界大跨度悬索桥的发展积累了丰富的经验，也形成了自己独特 的风格。他的悬索桥的特征表现为：采用竖直吊索，并加劲梁采用用钢桁架。 见图1 1 所示。这种形式的悬索桥基本采用三跨地锚式，加劲梁在主塔处设有伸 缩缝，采用钢筋混凝土作为桥面，钢结构作为主塔。其优点表现在：加劲梁的 2 刚度可以通过增加桁架高度来保证，并且便于双层通车的实现。 “ mn 彳k 尸7 。、1 7 1 、1 7 1 、 u i 一 _ 。_ 一 广 图卜1 芙国式悬累桥图 日本修建悬索桥的构思主要来自于美国，所以他修建的悬索桥也以美国式 悬索桥居多，其原因在于他的很多桥梁都是公铁两用桥，采用桁架式，有利于 双层桥面的布置，让公路交通与铁路交通分层通过。但是日本的大跨悬索桥的 建造也很有自己的特点：如加劲桁架在桥塔处不设置伸缩缝，采用连续的形式。 桥面采用钢正交异性板。这些都有别于美国的悬索桥：在主塔处加劲梁设置伸 缩缝，桥面用钢筋混凝土。 英国式悬索桥如图1 2 所示，这种悬索桥从2 0 世纪6 0 年代开始起步，但很快 在英国本土和土耳其修建了不少著名的典型的英国式悬索桥。英国式悬索桥的 吊索呈三角形，而且不像美国式悬索桥那样是竖直吊索是倾斜的。加劲梁采用 流线形扁平翼状钢箱梁，高度相对较小。除此之外，英国式悬索桥的加劲梁也 采用连续的钢箱梁，在桥塔处也不设置伸缩缝，主塔采用钢筋混凝土，在主跨 中点处一部分英国式悬索桥的主缆与加劲梁采用固结的形式。英国式悬索桥的 优点表现在：钢箱加劲梁相对于预应力混凝土加劲梁可减轻恒载，这样就使得 主缆的截面面积大为减小，继而降低了用钢量，最后整桥的造价也大为降低。 钢加劲梁抗扭刚度大，尺寸小使得横向受到风荷载小，便于抗风，并让桥塔所 承受的横向荷载大大降低。而英国式悬索桥三角形斜吊索的布置使得桥梁刚度 得到提高，但这种斜吊索的布置使得吊缆与主梁、主缆结合处构造复杂，增加 了施工难度。 黛 奄太咿影积 瓜 _ jl j 图1 - 2 英国式悬索桥 除去上面三种主要悬索桥形式以外，还有混合式悬索桥。吊索为竖直的， 加劲梁为流线型钢箱梁。混合式悬索桥是集各种典型悬索桥的优点于一身，显 示出钢箱梁的优越性，也避免了采用构造复杂的斜吊索，避免了不少争议。目 前我国修建的悬索桥大多为这种混合式悬索桥，这种类型也是将来悬索桥的一 大趋势。 1 2大跨悬索桥地震研究的意义和必要性 一个国家桥梁建设的水平基本可以通过该国在悬索桥建设上的水平来反 映，这也是近来世界各国纷纷涌现大跨度悬索桥建设的一个原因。上个世纪悬 索桥的发展取得了巨大成就，材料和施工工艺的突破发展使得桥梁跨径从2 0 纪 初的5 0 0 米跃进到本世纪初的近2 0 0 0 米n 们。 2 1 世纪悬索桥建设将迎来一个大发展的时期。据相关统计资料称，本世纪 在全世界范围内打算修建的跨海通道有：位于意大利的墨西拿海峡大桥；伊兹 米特洛海湾大桥，位于土耳其：跨直布罗陀海峡通道，位于西班牙与摩洛哥之 间；白令海峡大桥，位于美俄之间；日本2 1 世纪跨海大桥计划3 ；我国新世纪 跨海大桥计划等。这些海峡通道的修建都需要有跨径大于2 0 0 0 米的悬索桥作为 支撑，所以研究跨径大于3 0 0 0 米级的特大跨度悬索桥是2 1 世纪新一代悬索桥需 要解决的工作。新一代悬索桥的出现，跨径的增大无疑给抗震设计带来了极大 的难度，当前的抗震设计方法反应谱方法，它只能考虑一致地震激励的影 响，而在实际地震过程中，由于震源深度、地震波传播路径、局部场地土等因 素的差异使得桥梁各支承点的实际地震动也存在较大的差异，所以对桥梁结构 进行考虑行波效应的多点激励分析已成为了当今桥梁工作者的一个研究热点 n 2 】 0 综上所述，从世界各国跨海交通通道的建设规划中可以看出：超大跨度悬 索桥发展前景光明。但是如果按照常规的方法设计悬索桥设，修建特超大跨度 的悬索桥的难度很大。这就要求有新的高强轻质材料被采用，否则要修建特大 跨度悬索桥是一件不容易的事情。在主缆材料问题上，用碳纤维加劲塑料丝来 来制作主缆。随着纳米技术的不断成熟，将其应用到主缆上，会使主缆的承载 力大大提高，悬索桥的极限跨度也就能提高，修建5 0 0 0 米级以上的特大跨悬索 桥将能变成现实。 从结构设计上来说，跨度越来越大，主缆和加劲梁的自重也会越来越大， 缆索的断面积也就会相应的越来越大。如果跨径在5 0 0 0 米以内，这都可以通过 桥梁每侧布置多根主缆的办法来解决，这样还可以避免主缆断面过大导致的二 次应力突增的现象。然而动力问题才是真正制约桥梁跨度增长的因素。因为特 大跨桥梁与常规桥梁相比，结构向更轻更柔方向发展，这样结构的几何非线性 效应会表现得更加突出，风荷载与地震作用下的成桥状态、施工状态的静、动 力问题就成为了主要矛盾。 所以在新一代悬索桥的构思中，首先要解决其静动力的问题。特大跨度悬 4 索桥的静动力特性的研究为后续的特大跨度悬索桥的理论、实践和施工等方面 有着突出的基础意义。 文献n 3 3 指出，地震给人类带来的危害历来都是致命的。如2 0 0 8 年的汶川大 地震( m 8 o ) ，有近7 0 0 0 0 人遇难，近2 0 0 0 0 人失踪，财产损失更是巨大。2 0 1 0 年 的青海玉树大地震( m 7 1 ) ，有近2 0 0 0 0 人遇难，财产损失也是异常严重。所幸， 在地震中悬索桥遭受破坏的实例迄今为止未被发现，但是悬索桥作为各重要通 道上的重要结构形式，其特点一般表现为：投资大，地位重要。在地震中悬索 桥一旦遭到破坏，给人类带来的生命财产和间接经济损失将会难以估量的。历 史上的大地震不断显示了桥梁工程破坏带来的的严重后果，也反复强调了桥梁 工程抗震研究的紧迫性与重要性。而当前，国内外大跨度桥梁抗震设计都无既 成规范可依，这就更反映出进行正确的抗震研究，确保桥梁结构一一特别是投 资大、在经济政治上地位重要的大型桥梁结构的抗震安全性的重要性和积极意 义更是不言而喻。 从悬索桥的构成可以知道，它是一种柔性悬吊组合体系。是由主缆、加劲 梁、主塔、锚碇、吊索等构件组成的柔性。作为主要承重构件的主缆是是几何 可变体系，结构刚度是靠恒载产生的初拉力和几何形状的改变来获得，进而用 以抵抗荷载产生的变形，这样大跨度悬索桥在施工阶段就会表现出明显的几何 非线性。地震作用下，结构的响应与与结构本身的特性，地震动的频谱特性、 地震动持续时间等地震动特性都有很大的关系。在过去的地震反应分析中，习 惯运用的方法是对几何非线性进行近似处理，具体处理方法是只修正缆索的弹 性模量，并考虑缆索恒载静力平衡时的重力刚度，再进行反应谱分析或者线性 动力时程分析。随着桥梁跨度的越来越大，结构也悦来越柔，在地震作用下几 何非线性的影响是否可忽略行就成为一个应该深入探讨的问题。 f l e m i n g 和e q e s l i 3 在1 9 8 2 年对跨度2 0 0 米左右的斜拉桥进行了地震反应