（土木工程专业论文）连续刚构施工过程模拟和动力特性分析.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位敝储躲群妒 冁7 t 年万月加 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位做作者虢并够 日期：弘“年f 月f 日 指导教师签名： 饧盛 日期：加，年月，日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库 定享受相关权益。 学位论文作者签名：嬲 日期：加f f 年6 月r6 日 c 摘要 随着桥梁施工技术水平的提高，对各种影响连续刚构受力因素研究的不断深 入，以及连续刚构桥自身的优点都使得大跨径预应力混凝土连续刚构桥已经成为 目前主要采用的桥梁结构之一。随着连续刚构桥的应用越来越广泛，对合理的进 行施工过程模拟提出了更高的要求。同时，我国是一个地震频发的国家，这也要求 我们必须对大跨径连续刚构桥的动力特性及其地震响应有更加深刻的认识。 本文以重庆市某大桥为研究对象，选用合理的施工控制结构计算方法对此桥 的施工全过程进行有限元计算，同时对其动力特性及地震响应进行了分析和研究。 本文主要内容如下： 根据有限元计算理论及某大桥设计图文件等相关资料，利用结构分析软件 m i d a sc i v i l 建立了某大桥施工阶段分析模型和地震响应计算分析模型。 利用结构分析软件m i d a sc i v i l 对某大桥的施工过程进行合理的模拟计算 分析，得到某大桥施工各阶段的变形和内力。 详细介绍目前常用的各种桥梁结构地震反应分析方法的基本原理及应用，为 下面地震反应分析方法的选用提供了理论基础。 介绍了动力特性计算理论。并对某大桥的自振频率和相关振型进行了计算， 以此了解大桥的动力特性。 介绍了桥梁结构地震响应计算相关理论，选用时程分析法计算了某大桥在 e i c e n t r o 波作用下的地震响应，并对计算结果进行了分析。其结果对同等类型桥 梁的抗震设计具有参考价值。 关键词：连续刚构桥；计算方法；动力特性；地震响应；时程分析方法 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft e c h n o l o g yo fb r i d g ec o n s t r u c t i o na n dt h e f u r t h e r c o n t i n o u s l ys t u d y i n go ft h ee f f e c t i n g f a c t o r so nt h es l n l c 眦，t h el a r g e - s p a n p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e sh a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h e b r i d g et y p et h a tm a i n l ya d o p t e d t h em o r ew i d e l y u s eo fp r e s t r e s s e dc o n c r e t e c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e s ，i tb e c o m e sm o r ei m p o r t a n tt h a ts i t m u l a t ec o n s t r u c t i o n s t a g e so fc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g er e a s o n a b l y a tt h es a m et i m e ，c h i n a i so n eo ft h ec o u n t r yw h e r ee a r t h q u a k eo c c u r r e n c ef r e q u e n t l y i tr e q u i r e s tt h a tt h e u n d e r s t a n d i n ga b o u tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e i s m i cr e s p o n s eo ft h e l a r g e s p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e sm u s tb ef u r t h e r o nt h eb a s i so fo n eb r i d g ei ne h o n g q i n g ，t h ea u t h o rs i m u l a t e dt h ew h o l ec o n s t r u c t i o n p r o c e s su s i n gr e a s o n a b l e 姗c t u r ec o m p u t a t i o nm e t h o db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n d s t u d i e dt h et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e i s m i cr e s p o n s eo ft h eb r i d g e t h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e ra sf o l l o w s ： b a s e do nt h et h e o r yo ff m i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o na n dt h ed e s i g nd r a w i n gf i l eo f r h eb r i d g e ，t h ea u t h o rs e t e du pt h em o d e lo fa n a l y z i n ga b o u tt h ec o n s t r u c t i o ns t a g e sa n d s e i s m i cr e s p o n s eo ft h eb r i d g eb yu s i n gm i d a s t h ed e f l e c t i o na n di n t e r n a lf o r c eo fe r e v yc o n s t r u c t i o ns t a g e sw e r eg o tb y c a l c u l a t i n g a n da n a l y s i n gt h ec o n s t r u c t i o n s t a g e s o ft h e b r i d g eu s i n gm i d a s r e a s o n a b l y 0i tp r o p o s e dt h et h e o r e t i c a lb a s i st ot h e s e l e c t i o nf o rt h ea n a l y s i sm e t h o d so f s e i s m i cr e s p o n s ea b o u tb r i d g eb yi n t r o d u c i n gb a s i ct h e o r ya n da p p l y i n go ft h e d i f f e r e n ta n a l y s i sm e t h o d st h e s ea r eu s e dt oa n a l y s et h es e i s m i cr e s p o n s eo fb r i d g e i n t r o d u c i n gt h e c a l c u l a t i o nt h e o r yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h ea u t h o r m a s t e r e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e b r i d g eb yc a l c u l a t i n g t h en a t u r a l f r e q u e n c ya n dt h em o d e l s i n t r o d u c i n gt h er e l a t e dt h e o r i e so fs e i s m i cr e s p o n s ec a l c u l a t i o n t h ea u t h o r c a l c u l a t e dt h es e i s m i cr e s p o n s eo ft h eb r i d g eu n d e rt h ea c t i o no ft h ee l c e n t r ou s i n g t h et i m e h i s t o r ya n a l y s i sm e t h o d a n dt h e a u t h o ra n a l y s e dt h er e s u l to ft h e c a l c u l a t i o n i th a sr e f e r e n c ev a l u et os e i s m i cd e s i g no ft h eb r i d g e st h a ta r et h es a m e 够p e k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sr i g i df r a m e b r i d g e ；c a l c u l a t i o nm e t h o d ；d ) r n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ；s e i s m i cr e s p o n s e ；t i m eh i s t o r ya n a l y s i sm e t h o d 目录 第一章绪论1 1 1 连续刚构桥的特点及发展概况1 1 1 1 连续刚构桥的特点1 1 1 2 连续刚构桥的发展概况3 1 1 3 连续刚构桥的病害5 1 2 地震灾害5 1 2 1 概j 苤5 1 2 2 桥梁结构的破坏原因及典型震害7 1 3 本文主要研究内容9 第二章某大桥施工过程仿真分析。1 1 2 1 引言ll 2 2 桥梁施工过程模拟分析方法1 1 2 2 1 正装计算法1 1 2 2 2 倒拆计算法1 l 2 2 3 无应力状态法1 2 2 3 桥梁结构施工控制结构分析方法1 2 2 3 1 有限元法1 2 2 3 2 解析法15 2 4 某大桥施工过程仿真分析1 5 2 4 1 工程概况15 2 - 4 2 模型参数取值15 2 4 3 模型介绍1 6 2 4 4 某大桥结构仿真结果1 6 2 5 本章小结2 7 第三章桥梁地震响应分析方法2 8 3 1确定性抗震分析方法2 8 3 1 1 静力法。2 8 3 1 2 反应谱理论2 9 3 1 3 时程分析方法31 3 2 概论性抗震分析方法3 6 3 3 本章小结3 7 第四章连续刚构桥动力特性分析。 3 8 4 1 概述3 8 4 2 结构动力特性分析3 8 4 2 1 结构自振频率与振型3 8 4 2 2 结构特征值计算3 8 4 3 计算模型的建立4 l 4 3 1 桥梁结构模拟4 1 4 3 2 材料参数4 2 4 4 某大桥的动力特性分析4 2 4 5 本章小结。4 7 第五章连续刚构桥地震响应分析 5 1 桥梁结构地震荷载响应分析4 8 5 2 某大桥的时程分析4 8 5 2 1 地震动的输入。4 8 5 2 2 阻尼问题。5 0 5 3 某大桥时程分析结果5 1 5 3 1 荷载工况。5l 5 3 2 计算结果5 2 5 3 3 结果分析6 3 5 4 本章小结6 3 第六章结论与展望6 5 6 1 结论6 5 6 2 展望6 6 致谢。6 7 参考文献6 8 在学期间发表的论著及取得的科研成果7 0 第一章绪论 第一章绪论 1 1 连续刚构桥的特点及发展概况 随着改革开放的不断深入，全国交通运输事业迅猛发展，桥梁在交通建设中 占据极其的重要地位。桥梁为了跨越各种障碍( 如河流，沟谷或其他线路等) ，必 须修建各种类型的桥梁与涵洞，因此，桥涵是交通线路中重要的组成部分，特别 是现代高等级公路以及城市高架道路的修建中，桥梁往往是保证全线早日通车的 关键，在国防上，桥梁是交通运输的咽喉，在需要快速机动的现代战争中具有非 常重要的地位，在生活中，桥梁的作用更是大大方便了人类的日常活动需求，必 然是一种与生活必不可分的跨越工程【lj 。桥梁对一个地区的经济的拉动作用尤为 明显。据不完全统计，各种桥梁数目众多，在公路或铁路总长中所占比例有时可 高达1 4 以上【2 】。其中连续刚构桥在其中占有较高的比重。 1 1 1 连续刚构桥的特点嘲 结构特点 大跨径连续刚构桥是连续梁桥和t 形刚构桥的组合体系，其结构受力特点主 要为：梁体连续，墩、梁、基础三者固结为一个整体共同受力，在恒载作用下， 连续刚构桥与连续梁桥的跨中弯矩和竖向位移基本一致，但在双肢薄壁墩的连续 刚构桥中，墩顶截面的恒载负弯矩要较连续梁桥小，其次，由于墩梁固结共同参 加工作，连续刚构桥由于活载引起的跨中正弯矩较连续梁要小，因而可以降低跨 中区段的梁高，并使恒载内力进一步降低【4 】。大跨径连续刚构桥有如下优点： 1 ) 主墩无支座，施工方便。 2 ) 连续刚构一般采用悬臂施工，合拢前不需要体系转化。 3 ) j s l 页桥向抗弯刚度大，受力性能好，墩梁固接能有效减小跨中正弯矩。 4 ) 横桥向抗扭刚度大，能较好满足悬臂施工的抗风要求。 5 ) e h 于墩的柔性，顺桥向抗推刚度小，能有效减小温度、收缩徐变等次内力， 对结构的抗震也更有利。 6 ) 相对来说全桥伸缩缝少，行车平稳顺畅。 施工特点 连续刚构桥的施工方法很多样，一般的施工方法有：搭支架现浇、悬臂浇筑、 2 第一章绪论 预制拼装、顶推法等等。根据安全和经济等各方面综合考虑下，大跨径连续刚构 桥的施工方法主要是悬臂法施工。随着施工技术和施工工艺水平的提高连续刚构 桥的施工则从传统的支架施工法发展为悬臂法。悬臂施工法最早是在1 9 5 0 年由前 联邦德国用于建造预应力混凝土桥，它是逐孔施工法的一种，其主要做法是先利 用已建成的桥墩开始对称地将多个节段梁体不断悬出接长。悬臂法施工通常分为 悬臂拼装和悬臂浇筑。其中大跨径连续刚构桥施工多用于悬臂浇筑，下面就悬臂 浇筑法进行阐述： 悬臂浇筑法用挂篮悬臂施工，于1 5 9 5 年首先由联邦德国迪维达克公司创造和 使用，因此悬臂施工又称迪维达克施工法，它将梁体每2 - 5 米分为一个节段，以 挂篮为施工机具进行堆成悬臂浇筑施工，挂篮的构造形式很多，通常由承重梁、 悬吊模板、锚固装置、行走系统和工作平台几部分组成( 见图1 1 ) ，承重梁是挂 篮的主要受力构件，可以采用钢板梁，工字钢或万能杆件组拼的钢桁架和贝雷梁 等，它承受施工设备和新浇筑节段混凝土的全部重量，并通过支点和锚固装置将 荷载传递到已施工完成的梁身上【5 j 。 缈” 礴帮岫i 了。世m ? ”，? 唑j 蜘i j ：凇_ - i ”等tj j ”、。j t 。? 誓吖j 4 冀篡氇 图1 1 悬臂灌筑法 f i 9 1 1c a n t ii e v e rp o u ri n gc o n s t r u c t i o n 下面简要介绍大跨径连续刚构桥施工过程： 1 ) 桥梁基础及墩台施工； 2 ) 在墩顶托架或赝架上浇筑0 号块，0 号块位于连续刚构桥墩上方，其为挂 1 1 2 连续刚构桥的发展概况嗍 简支梁、悬臂梁和连续梁在梁式桥体系中是三种应用较早古老的结构体系。 随着新的施工方法的出现及施工工艺水平的提高，也为新的更大跨的桥型的出现 提供了可能。悬臂施工的新工艺的出现为混凝土梁桥向大跨化的发展提供了新的 途径。悬臂施工法最早出现于1 9 5 0 年的德国，当时用于建造预应力混凝土桥梁， 随着施工技术的不断发展该方法的应用从早期的t 形刚架桥施工，发展到后来应 用于连续梁、连续刚构桥、拱桥等各种桥型。悬臂施工法是由从两个相邻桥墩位 置同时向两侧分段进行施工，利用预应力将各梁段牢牢练成一个整体，逐段推进， 图1 2 澳大利亚g a t e w a y 桥 f i 9 1 2t h eg a t e w a yb r i d g eo fa u s t r a l i a 4 第一章绪论 罗嘲霹碍臻嬲嘲帮黔缈鄹鸸期黟锣警孵澎哗聊鼍 陵。磐氖狲姐i 薪。 簧 辫堕拾，绣地! 型娶，协4墨 ? j 图1 3 虎门大桥辅航道桥 f i 9 1 3t h ea s s i s t a n ts h i p p i n gc h a n n e lb r i d g eo fn u m e nb r i d g e 在跨中位置合拢，其特点使得大跨度桥梁的施工更加简单和安全。悬臂施工法在 施工过程中无须在桥下搭设支架，在一些自然环境下( 深水、大跨、通航、峡谷、 高墩) 是最优的施工方案，其还具有施工工序简单、所需施工设备少、节省施工 费用、降低工程造价和施工速度快等突出的优点；同时悬臂法施工通过使跨中正 弯矩逐渐转移到支点负弯矩从而有效的提高桥梁的跨越能力，这样就产生了连续 梁桥。而结构的悬臂体系和施工悬臂施工方法相结合产生了t 形刚构桥。t 形刚构 桥产生于五十年代初的德国，并且其结构形式在五六十年代得到了不断的发展。从 大多数是多跨的且在跨中设有铰的结构形式发展为除了主孔仍旧在跨中设铰或设 挂梁外边孔大多布置成连续或部分连续的形式同时主孔成为单跨的结构形式。由 于时代的进步以及交通事业的迅速发展，在满足通行的条件下对行车的平顺舒适 性要求的不断提高，t 形刚构桥和连续梁的组合使得大跨径连续刚构桥应运而生。 其兼具连续梁桥和t 形刚构桥的优点使得其迅速得到桥梁工程师 们得认可，并得到广泛的应用。 连续刚构桥出现于8 0 年代，并得到迅速的应用和发展，如1 9 8 2 年美国的休 斯敦运河桥、1 9 8 5 年建成的澳大利亚g a t e w a y 桥( 见图1 2 ) 。挪威于1 9 9 8 年底建 成了的当时居世界第一的s t o l m a 桥和世界第二的r a f l s u n d e t 桥，更是将大跨径连 续钢构桥跨径发展到顶点。国内虽然建造连续刚构桥梁较晚但自1 9 8 8 年主跨1 8 8 m 第一章绪论 5 一 的大跨连续刚构洛溪大桥建成以来，短短几年内我国修建的主跨超过1 2 0 m 的连续 刚构桥有几十座。同时在世界已建成跨度大于2 4 0 m 的连续刚构桥1 7 座中中国就 占了其中7 席，如虎门大桥副航道桥( 主跨2 7 0 m ) ( 见图1 3 ) 、重庆高家花园桥 ( 主跨2 4 0 m ) 、重庆黄花园大桥( 主跨2 5 0 m ) 、泸州长江二桥( 主跨2 5 2 m ) 、黄 石长江大桥( 主跨2 4 5 m ) 等等。随着不断的发展和提高我国大跨径连续刚构桥的 建桥技术已居世界领先水平1 7 。 1 1 3 连续刚构桥的病害 随着现代施工技术水平的进步，同时也因为预应力混凝土连续刚构桥的自身 在结构受力上的突出优点，连续刚构桥的应用越来越广泛。自从1 9 8 8 年大跨连续 刚构洛溪大桥建成以来，我国建成的预应力混凝土连续刚构桥越来越多，但从已 建成的预应力混凝土连续刚构桥中发现这些大桥都或多或少了的出现了不同程度 的病害。这些病害主要几种在下面两个方面 主梁跨中下挠问题 ： 预应力混凝土连续刚构桥长期挠度过大主要是因为主梁混凝土的收缩徐变， 而目前我们对徐变的研究还有待深入，目前虽然有很多种徐变计算的方法，但都 还未达到精确计算的程度。同时造成预应力混凝土连续刚构桥长期挠度过大的原 因还有纵向预应力筋的预应力损失以及实际交通量较设计交通量的增大。 主梁的裂缝问题 一一 目前预应力混凝土连续刚构桥开裂现象也比较普遍，这需要引起我们足够的 重视。造成这种病害的原因很多，这就需要我们从设计、施工以及材料使用各个 方面进行改进从而减少开裂的发生。 1 2 地震灾害 1 2 1 概述 地震，是地球内部发生的急剧破裂产生的震波，在一定范围内引起地面振动 的现象。地震( e a r t h q u a k e ) 就是地球表层快速振动，在古代又称为地动。它就像海 啸、龙卷风、冰冻灾害一样，是地球上经常发生的一种自然灾害。大地振动是地 震最直观、最普遍的表现。在海底或滨海地区发生的强烈地震，能引起巨大的波 浪，称为海啸。地震是极其频繁的，全球每年发生地震约五百五十万次瞵j 。 地震常常造成严重人员伤亡，能引起火灾，水灾，有毒气体泄漏，细菌及放 6 第一章绪论 射性物质扩散，还可能造成海啸，滑坡， 有突发性和不可预测性，以及频度较高， 崩塌，地裂缝等次生灾害。地震灾害具 并产生严重次生灾害，对社会也会产生 很大影响等特点。地震灾害包括自然因素和社会因素。其中有震级、震中距、震 源深度、发震时间、发震地点、地震类型、地质条件、建筑物抗震性能、地区人 口密度、经济发展程度和社会文明程度等。地震灾害是可以预防的，综合防御工 作做好了可以最大程度地减轻自然灾害。 最近几年地震频发，造成了非常惨重的生命财产损失。2 0 0 9 年：1 月8 日， 哥斯达黎加首都圣何塞附近发生里氏6 2 级地震，造成25 人死亡，12 万人受灾； 4 月6 日，意大利首都罗马以东约1 0 0 公里的山城拉奎拉发生里氏5 8 级地震，造 成近3 0 0 人死亡，约6 万人无家可归，财产损失严重；5 月2 8 日，洪都拉斯北部 加勒比海域发生里氏7 1 级地震，造成8 人死亡，数千幢房屋倒塌，近万人受灾， 直接经济损失1 亿美元；9 月2 日，印尼西爪哇省附近印度洋海域发生里氏7 - 3 级地震，造成至少7 9 人死亡，超过9 0 0 人受伤，3 2 人失踪。此外，地震还造成 6 4 万座建筑物严重受损；9 月3 0 日，萨摩亚群岛地区发生里氏8 0 级强震，造成 1 0 0 多人死亡；同日，印尼苏门答腊岛南部发生里氏7 7 级地震，1 0 0 0 多人遇难。 2 0 1 0 年：1 月1 2 日，海地发生里氏7 3 级地震，地震共造成3 1 6 万人死亡，3 5 万 人受伤，1 5 0 多万人无家可归；2 月2 7 日，智利中南部城市康塞普西翁一带发生 里氏8 8 级特大地震，并引发海啸，已造成8 0 2 人死亡，近2 0 0 人受灾，官 图1 4 汶川大地震灾害图 fi9 1 4t h ed a m a g eg r a p ho fw e n c h u a ne a r t h q u a k e 第章绪论 7 一 估计经济损失达3 0 0 亿美元；4 月4 日，墨西哥北部下加利福尼亚州当地时间发 生里氏7 2 级强烈地震；4 月1 3 日，中国青海省玉树藏族自治州玉树县发生7 1 级 地震，截至5 月3 0 日1 8 时，玉树地震已造成2 6 9 8 人遇难，其中已确认身份2 6 8 7 人，无名遗体1 1 具，失踪2 7 0 人。已确认身份的遇难人员中：男性1 2 9 0 人，女 性1 3 9 7 人；青海玉树籍2 5 3 7 人，省内非玉树籍5 4 人，外省籍9 6 人( 含香港籍1 人) ；遇难学生1 9 9 人；l o 月2 5 日晚，印尼西苏门答腊省明打威群岛附近海域发 生里氏7 2 级地震并引发海啸，已经造成至少4 0 人死亡、3 8 0 人失踪。2 0 1 1 年：2 月2 2 日1 2 时5 1 分( 北京时间7 时5 1 分) 新西兰南岛最大城市克赖斯特彻奇发 生里氏6 3 级地震，造成重大人员伤亡，大量建筑物受损，城市遭受重创，目前警 方已找到1 6 6 具遇难者遗体。有2 4 名中国公民在震后失踪；3 月1 1 日1 4 时4 6 分 ( 北京时间1 3 时4 6 分) ，日本东北地区发生里氏9 0 级地震，震中位于宫城县以 东的太平洋海域。并在该国东北太平洋沿岸引发巨大海啸，已造成至少1 3 2 3 2 人 死亡，多人受伤。 1 2 2 桥梁结构的破坏原因及典型震害 我国是一个地震多发的国家，受到地震灾害很重，特别是近几年来，发生的 几次大地震让人感到地震的破坏力之大。特别是2 0 0 8 年的5 1 2 大地震的惨状现在 还让人感伤。同时我们需要从地震灾害中去归纳和总结，以避免或者降低地震的 灾害。桥梁是交通线路中重要的组成部分，特别是现代高等级公路以及城市高架 道路的修建中，桥梁往往是保证全线早日通车的关键，在生活中，桥梁的作用更 是大大方便了人类的日常活动需求，必然是一种与生活必不可分的跨越工程。桥 梁其在交通工程中特殊地位也表现在其在抗震救灾中的作用。在调查研究中发现， 在以往的抗震救灾工作中的第一要务就是打通通往震区的生命线，而很多时候由 于桥梁在地震中损毁，对抗震救灾工作造成阻碍，造成了救灾工作的难以有效地 开展，从而造成了更多人员的伤亡和更严重的经济上的损失。痛定思痛，因此总 结和分析过去的大地震中桥梁结构的震害产生的原因和主要震害是很有益的。这 将会深入我们对不同桥梁结构地震响应的认识及对于抗震设计的优化也很有意义 【9 】 o 地震作用于桥梁结构将对桥梁结构产生不同程度的震害，而产生震害的原因 又很多。通过对历次地震后桥梁破坏情况的分析研究，可以将震害产生的原因大 致分为以下几类l l o l ： 由于砂土液化、地基下沉、岸坡滑移或开裂而引起的基础破坏，从而导致 桥梁的倒塌。为了避免震害的出现我们就要合理选择桥位。 8 第一章绪论 因桥梁结构形式、构造或连接措施不当而引起的落梁等震害。对历次大地 震桥梁结构破坏形式的总结还告诉我们一定要重视构造和连接措施的设计。 由于桥梁墩柱本身抗震能力( 强度和延性) 不足而引起的破坏。在历次大 地震中，大量的钢筋混凝土墩柱的破坏是由于本身的抗剪强度和弯曲延性不足引 起的。 由于桥梁各地面支承点的运动不一致( 地面运动场的空间变化性) 而引 起的震害。1 9 9 5 年1 月1 7 日，日本阪神发生了7 2 级大地震。阪神大地震中位于 震中离正在建设的明石海峡大桥只有4 公里。地震时，1 9 9 0 米的悬索桥主缆已经 架好，正准备吊设钢梁。震后，位于淡路岛一侧的锚台产生相对于神户一侧1 4 m 相对水平位移，主塔产生1 3 m 相对水平位移。虽然在阪神大地震中，明石海峡 大桥并未受到严重的破坏，但是这也让我们注意到，对于桥梁特别是大跨径桥梁 越来越多的今天，我们需要重视多点不一致激励问题，在对桥梁进行地震响应分 析时，也需要将不一致激励问题进行合理的模拟和计算分析。 地震是一种极具破坏性的地面运动形式，对桥梁造成的破坏也非常多。这里 简单对典型桥梁震害进行介绍【l 叭l 】。： 上部结构的破坏：桥梁上部结构本身因遭受地震而破坏的情形比较少见， 往往是其他部位的破坏而导致上部结构的破坏。 图1 5 桥梁震害图 f i 9 1 5t h ee a r t h q u a k ed a m a g eg r a p ho fb r i d g e 支承连接部位的破坏：桥梁支承连接部位的因地震而破坏的情况极为常见。 第一章绪论 9 由于支承连接部位的破坏会引起力的传递方式的变化，从而对结构其他部位的抗 震产生影响，进一步加重震害。桥梁支承连接部位的破坏会引起力的传递方式的 变化，从而对结构其他部位的抗震性能产生不利影响，使震害进一步加重。在我 国海城、唐山、汶川大地震中i 就有不少支座迫害以及连接措施不当引起落梁的 例子。 下部结构和基础的破坏：下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌，并 在震后难以修复的主要原因。除了地基毁坏的情况，桥梁墩台和基础的震害是由 于受到较大的水平地震力，瞬时反复振动在相对薄弱的截面产生破坏而引起的。 从大量震害实例看，比较高柔的桥墩多为弯曲破坏，矮粗的桥墩多为剪切迫害， 介于两者之间的则为混合型破坏。 地震的灾害是巨大的。为了避免和减小地震对人类社会的破坏和影响，统计 和了解历次大震中桥梁的各种不同的震害形式，分析其震害产生原因，总结和吸 取教训，在桥梁设计中对较容易出现震害的部位进行抗震设计优化，选择抗震性 能较好的结构形式采取必要的减、隔振措施是很有必要的。随着人们对地震对桥 梁结构作用认识的不断深入，最大程度的减小地震对桥梁结构的破坏和影响是可 能的【1 2 】。 1 3 本文主要研究内容 随着桥梁施工技术水平的提高，对各种影响连续刚构受力因素研究的不断深 入，以及连续刚构桥自身的优点都使得大跨径预应力混凝土连续刚构桥已经成为 目前主要采用的桥梁结构之一。随着连续刚构桥的应用越来越广泛，特别是大跨 化的发展趋势也对施工质量和安全提出了更高的要求，这也要求我们对于大跨径 连续刚构桥的施工过程的控制需要更加重视，能够合理的对施工过程进行模拟以 指导施工。同时，我国是一个地震频发的国家，地震灾害较严重，特别是西部地 区。这也要求我们必须对大跨径连续刚构桥的动力特性极其地震响应有更加深刻 的认识。 本文以重庆市潼南县某大桥为研究对象，选用合理的施工控制结构计算方法 对此桥的施工全过程进行有限元计算，同时对其动力特性及地震响应进行了分析 和研究。 具体工作主要从下面几个方面开展： 根据有限元计算理论及某大桥设计图文件等相关资料，利用结构分析软件 m i d a sc i v i l 建立了某大桥施工阶段分析模型和地震响应计算分析模型。 根据桥梁结构施工过程模拟计算方法的基本原理和连续刚构桥悬臂施工 1 0第一章绪论 的特点，提出适合连续刚构桥施工过程的计算分析方法。利用结构分析软件m i d a s c i v i l 对某大桥的施工过程进行合理的模拟计算分析，得到某大桥施工各阶段的变 形和内力。 详细介绍目前常用的各种桥梁结构地震反应分析方法的基本原理及应用。 为下面地震反应分析方法的选用提供了理论基础。 以重庆市潼南县某大桥为工程背景，介绍了动力特性计算理论，并对某大 桥的自振频率和相关振型进行了准确的计算。以此了解某大桥的动力特性。 以重庆市潼南县某大桥为工程背景，介绍了桥梁结构地震响应计算相关理论，根据实 际情况选用了合理的地震动输入及结构阻尼，对某大桥的地震响应进行了时程分析。 第二章某大桥施工过程仿真分析 2 1 引言 第二章某大桥施工过程仿真分析 随着桥梁跨径的不断增大特别是对于分段进行悬臂浇筑施工的大跨径连续刚 构桥，我们在每个节段施工前需要通过对桥梁结构的施工过程进行合理的模拟而 进行施工阶段分析，以确定出下个施工阶段悬浇节段的立模标高，从而保证成桥 后桥面线形以及结构内力状态符合规范要求。对大跨径预应力连续刚构桥的施工 过程进行合理的模拟分析对于桥梁施工时有益的。 2 2 桥梁施工过程模拟分析方法 t 3 1 2 2 1 正装计算法 人们对结构静力分析的一般认识是对整个结构施工结束状态作单工况或多工 况的受力分析和变位计算。但是，对于桥梁结构，单作这样的分析是不够的。尤 其是大跨径桥梁结构，都有一个分阶段施工过程，结构的某些荷载如自重力、施 工荷载、预应力等是在施工过程中逐级施加的，每一施工阶段都可能伴随着徐变 发生、边界约束增减、预应力张拉和体系转换等。后期结构的力学行为与前期结 构有密切联系。换言之，施工方案的改变，将直接影响成桥结构的受力状态。在 确定了施工方案的情况下，如何分析各施工阶段及成桥结构的受力及变形是施工 设计中的首要任务。 为了计算出桥梁结构成桥以后的结构受力状态，只有根据实际结构配筋情况 和施工方案设计逐步逐阶段地进行计算，最终才能得到成桥结构的受力状态。这 种计算方法的特点是：随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束、荷载形式在 不断地改变。前期结构将发生徐变，其几何位置也在改变，因而，前一阶段结构 状态将是本施工阶段结构分析的基础。我们将这种按施工阶段前后次序进行结构 分析计算的方法称为正装计算法，也称为前进分析法。 2 2 2 倒拆计算法 正装计算法可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析，但由于分 1 2 第二章某大桥施工过程仿真分析 析中结构节点坐标的迁移，最终结构线形不可能完全满足设计线形要求。 实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要，线形误差将造成桥梁 结果的合拢困难，影响桥梁建成后的美观和营运质量。为了使竣工后的结构保持 设计线形，在施工过程中用设计预拱度的方法来实现。而对于分段施工的连续梁 桥、斜拉桥、悬索桥等复杂结构，一般要给出各个施工阶段结构物控制点的标高( 预 抛高) ，以便最终使结构物满足设计要求。这个问题用正装计算法难以解决。而倒 拆计算法可以解决这一问题。它的基本思想是，假设t = t o 时刻内力分布满足正装 计算时t 0 时刻的结果，线形满足设计要求。在此初始状态下，按照正装分析的逆 过程，对结构进行倒拆，分析每次卸除一个施工阶段对剩余结构的影响，在下一 个阶段内分析得出的结构位移、内力状态便是该阶段结构施工的理想状态。 所谓结构施工的理想状态，就是在施工各阶段结构应有的位置和受力状态。 每个阶段的施工理想状态都将控制着全桥最终的形状和受力特性。 2 2 3 无应力状态法 无应力状态控制法认为分阶段成形结构最终内力、位移和结构形成过程无关。 无应力状态法的分析方法基于以下两个假设【m 4 1 ：1 一定的外荷载、结构体系、支 承边界条件、单元的无应力长度和无应力曲率组成的结构，其对应的结构内力和 位移是唯一的，与结构的形成过程无关。2 结构单元的内力和位移随着结构的加 载、体系转换和拉索的张拉而变化，单元的无应力长度只有人为地调整才会发生 变化，当荷载和结构体系一定时，单元的无应力长度的变化必然唯一地对应一个 单元轴力的变化。 2 3 桥梁结构施工控制结构分析方法 2 3 1 有限元法【1 5 1 6 1 7 l 下面对有限元法的计算过程作简要说明： 结构的离散化 结构的离散化是有限单元法分析的第一步，它是有限单元法的基本概念。所 为离散化，简单地说就是将要分析的结构物分割成有限个单元体，并在单元体的 指定点设置结点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的 集合体，用它代替原来的结构。如果分析的对象是桁架，那么这种划分十分明显， 可以取每根杆件作为一个单元，因为桁架本来就是由杆件组成的。但是，如果分 第二章某大桥施工过程仿真分析 1 3 析的对象是连续体，那么为了有效地逼近实际的连续体，就需要考虑选择单元的 形状和分割方案以及确定单元和结点的数目等问题。有关这方面的内容，将在以 后的章节中逐一介绍。 选择位移模式 在完成结构的离散之后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能用 结点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中 位移的分布作出一定的假设，也就是假设位移是坐标的某种简单的函数，这种函 数称为位移模式或插值函数。 选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。在有限元法中，通常选择 多项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分和积分) 比较方便， 并且由于所有光滑函数的局部，都可以用多项式逼近。位移函数的选择需要满足 下面几个一般的原则： 1 ) 位移函数选择多项式时，多项式的项数应与单元的结点的自由度数相等。单 元结点的自由度是指单元结点独立位移的个数。 2 ) 完备性。位移函数选择多项式时，多项式的阶次应包含常数项和线性项等。 3 ) 多项式的选取应低阶到高阶，并且尽量选取完全多项式以提高单元的计算精 度。 。 根据所选定的位移模式，就可以导出用结点位移表示单元内任一点位移的关 系式，其矩阵形式是 u = n 8 。 ( 2 。t ) 式中，u 是单元内任一点的位移向量，万。为单元的结点位移向量，n 称为形函 数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。单元内的应变和应力分别为 占= rn 8 。 ( 2 2 ) 矿= d 6 = d b 8 。 ( 2 3 ) 其中，应变矩阵b = l r n 应力矩阵s = d b 分析单元的力学特性 位移模式选定以后，就可以进行单元的力学特性的分析，它的主要目的是得 到作用于单元上的结点力和结点位移之间的关系式，下面采用能量原理来推导单 元的平衡方程。 l4 第二章某大桥施工过程仿真分析 万2 j 1 万。r ( 小b r d b d o ) 矿一万，( f r p ，擒) - a j ( j 玉n7 p 。挡( 2 4 ) 根据最小势能原理，式( 2 4 ) 中势能的变分为零，即 彻：盟彩。：o 笳。 ( 2 5 ) 由于结点位移向量扩的任意性，则有 嘉= ( 胍b r d b d q ) a 。一f _ 施一1 2 n t p s 招 ( 2 6 ) 上式可以写成 k 8 万。= f 。 ( 2 7 ) 式中，k 。称为单元刚度矩阵厂。为等效结点力，它们分别为 k e = 辩d j f e = 式+ f ； 2 。曲 式中体积力的等效结点力和面力的等效结点力f 分别为 f = 姒t p j 2k n tp s 锄 2 。曲 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程 这个集合过程包括有两个方面的内容：一是将各个单元的刚度矩阵集合成整 个结构的整体刚度矩阵：二是将作用于各单元的等效结点力向量集合成总的荷载 向量。最常用的集合刚度矩阵的方法是直接刚度法。般来说，集合所依据的理 由是要求所有相邻的单元在公共结点力上的位移相等。于是得到用整体刚度矩阵 k 、荷载向量f 和整个结构的结点位移向量万表示的整个结构的平衡方程 k 万= f ( 2 1 0 ) 求解结点位移和单元内力或应力 对方程( 2 1 0 ) 考虑结构的边界条件后求解，可得到结点位移然后再利用单 元特性计算单元应力或内力。 第二章某大桥施工过程仿真分析 2 3 2 解析法 解析法作为一种结构方法，在简单结构分析中应用较多。但由于其对复杂结 构的实现性的困难，在复杂结构中一般不使用。在复杂结构中，多采用有限元法