（模式识别与智能系统专业论文）高墩大跨连续刚构梁桥地震反应分析及减震措施.pdf

高墩大跨连续刚构梁桥地震反应分析及减震措施 摘要 地震是困扰人类的一大自然灾害之一，尤其是2 0 0 8 年5 月1 2 日中国汶川大地震， 造成了巨大的人员伤亡和经济损失，为新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、 救灾难度最大的一次地震。地震能直接的引起房屋、道路、桥梁、隧道等各种生命线 工程设施的破坏。多数垮塌桥梁是由于强烈的地震地面运动或者地面永久变形造成 的，也有部分桥梁是由于山体滑坡被土石冲垮的，这直接造成交通运输中断，严重影 响了抢险救灾工作，也间接地给人类社会带来更大的灾难。本文针对高墩大跨连续刚 构桥梁结构抗震分析的研究现状，运用大型结构分析程序m i d a s c i v i l 在地震波作用 下，利用反应谱分析法和时程分析法对某一实际高墩大跨连续刚构桥进行了地震反应 分析，对时程分析法、反应谱法进行了总结，比较了各自的优缺点。本文还对桥梁地 震反应的行波效应进行了时程分析的数值模拟，分析了高墩大跨连续桥在顺桥向地震 波作用下不同的相位差的行波效应，以及行波效应对桥梁高低墩墩差产生的影响。结 果表明：行波效应对高墩大跨连续梁桥的影响很大，桥梁高低墩墩差越大行波效应越 明显，高墩大跨连续桥在抗震设计时应考虑行波效应，所以在高墩大跨刚构桥梁抗震 设计与计算中，行波效应的影响是不可忽视的。根据高墩大跨刚构桥梁的特点，本文 确定铅芯橡胶支座减震装置的布置方案，通过比较设置减震装置前后该桥的地震反 应，分析铅芯橡胶支座对高墩大跨连续刚构梁桥的减震效果，为高墩大跨刚构桥梁的 减震设计提供参考。结果表明：通过采用铅芯橡胶支座作为减震装置后，结构地震反 应大幅下降，且受力分配变的均匀，有利于结构受力。 关键词：高墩大跨连续梁桥；有限元法；反应谱分析；动态时程分析；地震反应；减 震措施 i v s e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i sa n dv i b r a t i o nr e d u c i n g m e a s u r e so ft h ec o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g ew i t hh i g h b r i d g ep i e r s a b s t r a c t e a r t h q u a k ei so n eo ft h em o s td e s t r u c t i v en a t u r a ld i s a s t e r st h a tp e r p l e xh u m a n i t y p a r t i c u l a r l yo nm a y12 t h2 0 0 8 ，c h i n aw e n c h u a ne a r t h q u a k ec a u s e sh u g ec a s u a l t i e sa n d p r o p e r t yl o s s e s ，i ti st h em o s td e s t r u c t i v e ，t h em o s tw i d e l ys p r e a de a r t h q u a k e t h em o s t d i f f i c u l to fa ne a r t h q u a k ed i s a s t e rr e l i e fs i n c et h ef o u n d i n go fn e wc h i n a e a r t h q u a k ec a l l d e s t r u c tv a r i o u sl i f e l i n ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r e ss u c ha sb u i l d i n g ，r o a d s ，b r i d g e s ，t u n n e l s d i r e c t l y m o s to ft h eb r i d g ec o l l a p s ei sd u et ot h es t r o n ge a r t h q u a k eg r o u n dm o t i o n , o ro n t h eg r o u n do fp e r m a n e n td e f o r m a t i o nc a u s e db yt h ee a r t h q u a k e a sw e l la st h e r ea r ea l s o s o m eb r i d g e sa r ed u et ot h el a n d s l i d ea n dw a s h e da w a yb yt h ee a r t ha n dr o c k t h i si st h e d i r e c tr e s u l to ft h ei n t e r r u p t i o no ft r a n s p o r ta n dh a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h er e s c u ea n dr e l i e f w o r k ；a l s oi ti n d i r e c t l yb r i n g sg r e a t e rd i s a s t e rt oh u m a ns o c i e t y i nt h i sp a p e r , h i g h - p i e r c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g es e i s m i ca n a l y s i so fr e s e a r c h , u s i n gl a r g e s c a l es t r u c t u r a l a n a l y s i sp r o g r a mm i d a s c i l s e i s m i cw a v e s ，a n db yu s i n gr e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i s a n dt i m e h i s t o r ya n a l y s i sm e t h o dt oap r a c t i c a lh i g h s p a nc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ei n t h es e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，t i m eh i s t o r ya n a l y s i s ，r e s p o n s es p e c t r u mm e t h o da r e s u m m a r i z e da n dc o m p a r e di nt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t m si sa l s ot h eb r i d g e s e i s m i cr e s p o n s eo ft r a v e l i n gw a v ee f f e c tw a st i m e - h i s t o r ya n a l y s i so ft h en u m e r i c a l s i m u l m i o no ft h eh i g h s p a nc o n t i n u o u sb r i d g ea l o n gt h eb r i d g et ot h es e i s m i cw a v e so f d i f f e r e n tp h a s eo ft h et r a v e l i n gw a v ee f f e c ta n dw a v ee f f e c t so fh i g ha n dl o wo nt h eb r i d g e p i e rd i f f e r e n t i a li m p a c t t h er e s u l ts h o w s ：t r a v e l i n gw a v eh a sag r e a te f f e c to nt h e h i , hm t i n u o u si r d e rb r i d , e t h e t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nh i g h - s t andhigh-pier-span c o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g e h eg r e a t e rt h ed l t t e r e n c e sb e t w e e nm g n - s p a na n o l o w - s p a n ，t h em o r eo b v i o u st h et r a v e l i n gw a v ee f f e c t d u r i n gt h ea s e i s m a t i cd e s i g no ft h e 1 1 i 曲- p i e r - s p a nc o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g e ，t r a v e l i n gw a v e e f f e c ts h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t s ot h et r a v e l i n gw a v ee f f e c tc a n n tb ei g n o r e di nt h ep r o c e s so ft h ea s e i s m a t i cd e s i g na n d t h ec a l c u l a t i o no ft h eh i g h - p i e r - s p a nc o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g e a c c o r d i n gt ot h et r a i to f 1 1 i g h - p i e r - s p a nc o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g e ，t h et e x tc e r t a i n e dt h ep l a no ft h el e a dr u b b e r b e a t i n gd e v i c e b yc o m p a r i n gt h es e i s m i cr e s p o n s eo ft h eb r i d g ew i t ha n dw i t h o u tt h e d e v i c e ，w ec a l lg e tt h ea n a l y s i so ft h ea s e i s m i ce f f e c tw h i c hp r o d u c e db yt h el e a dr u b b e r b e a r i n gd e v i c ed u et o t h eh i g h - p i e r - s p a nc o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g e a n da l lt h e s ec a l l p r o v i d ear e f e r r e n c et o t h ev i b r a t i o nr e d u c i n go ft h eh i g h - p i e r - s p a nc o n t i n u o u sg i r d e r b r i d g e t h er e s u l ts h o w s ：b ya d o p t i n gt h et h el e a dr u b b e rb e a r i n gd e v i c e ，r e g a r d e da st h e v v i b r a t i o nr e d u c i n gd e v i c e ，t h er e a c t i o no ft h er e s p o n s eo fs t r u c t u r e s s u b j e c t e dt o e a r t h q u a k e sh a sd e c l i n e dt oag r e a te x t e n t , a n dt h ef o r c ed i s t r i b u t i o nh a sb e c o m ee v e n e r , w h i c hh e l p st h el o a d c a r r y i n gc a p a b i l i t yo ft h es t r u c t u r e k e y w o r d s ：h i g h - p i e r - s p a nc o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s e i s m i c r e s p o n s es p e c t r u m ；d y n a m i ct i m eh i s t o r ya n a l y s i s ；s e i s m i cr e s p o n s e ； v i b r a t i o nr e d u c i n gm e a s u r e s v i 图表清单 图i - i 龙潭河特大桥4 图3 - 1 高墩连续刚构桥梁示意图1 3 图3 2 高墩连续刚构桥梁有限元模型1 4 图3 - 3 高墩混凝土连续刚构桥前1 0 阶自振振型2 2 图4 1 三种烈度关系示意图2 5 图4 2h 类场地标准反应谱2 6 图4 - 3 两工况地震作用下主梁关键截面的内力值曲线3 2 图4 - 4 两种地震荷载工况作用下桥各墩内力值曲线3 3 图5 - 1e i - c e n t r o 地震波3 6 图5 - 2 两计算分析中各地震工况下纵向主梁内力分布图3 8 图5 - 3 一致激励与行波效应对桥墩的弯矩变化曲线4 0 图5 - 4 主跨跨中弯矩随不同视波速变化曲线4 1 图5 - 5 不同视波速主跨跨中m y 时程曲线4 2 图5 - 6 全桥有限元模型二4 3 图5 - 7 不同视波速主跨跨中m y 的z j h 曲线4 4 图5 8 铅芯橡胶支座滞回曲线4 5 图5 - 9 铅芯橡胶支座滞回曲线的等价线性化模型4 6 图5 1 0 主梁关键截面减震前后m y 值4 7 图5 1 l 主梁关键截面减震前后f z 值4 7 图5 1 2 减震前主跨i 3 处f z 时程曲线4 7 图5 - 1 3 减震后主跨i 3 处f z 时程曲线4 8 图5 一1 4 减震前主跨1 3 处m y 时程曲线4 8 图5 1 5 减震后主跨i 3 处m y 时程曲线4 8 图5 - 1 6 减震前主跨1 3 处d z 时程曲线4 9 图5 - 1 7 减震后主跨i 3 处d z 时程曲线4 9 x 表1 - 1 表3 - 1 表4 - 1 表4 - 2 表4 - 3 表5 - 1 表5 - 2 表5 - 3 表格清单 国内已建及在建的高墩桥梁4 前2 0 阶自振频率1 9 各地震工况作用下主梁关键截面的位移反应值2 7 各地震工况作用下主墩内力反应值2 8 各工况地震作用下主梁关键截面的内力反应值2 9 地震荷载工况3 6 主梁在一致激励情况下内力分析结果3 7 两种模型墩高与墩差4 3 x l 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注和致谢的地方外，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。 学位论文作者签名： 签字日期：。年汐月力蹈 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴互些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借 阅。本人授权金墅王些太堂可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者签名： 签字日期：如，p 年媚西诌 u i 导师签名： 签字日期：，o 年跆五馅 电话jl 弓跳峪77 b 邮编： 向去后 、訾l 毕守样希 作 ： ： 文位址论单地位作讯学工通 致谢 本学位论文是在导师方诗圣教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，方教授务实的 工作作风、锐意开创的精神、严谨的学术态度都给予了我莫大的激励和教育。在本文 的选题、撰写到定稿过程中，自始自终都是在导师的悉心指导下进行的，这其中倾注 了导师大量的心血和汗水。值此论文完成之际，谨向导师致以由衷的感谢! 对土木与水利工程学院的各位领导和老师们的培养和帮助表示感谢! 在攻读硕士学位期间，得到了师兄丁仕洪，同门付一小、李贺才、任晓亮、王轶 听、刘倩倩，师弟张利、吴少杰、许永永、肖兵，同学王成、张伟、琚泽进等人的大 力帮助。在此表示一并感谢! 最后，我要感谢我的家人给予我在学业上的理解和支持，生活上的关心和爱护， 这些都给了我很大的动力。 v i i 作者：潘强 2 0 1 0 年0 3 月 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 地震是困扰人类的一大自然灾害，如1 9 2 3 年日本关东大地震( m 8 2 ) ，十余万 房屋被震倒，死亡9 9 3 3 1 人，受伤1 0 7 7 0 0 余人；1 9 6 0 年智利南部大地震( m 8 5 ) ， 死亡2 2 3 1 人，损失6 8 亿美元；1 9 6 4 年美国阿拉斯加大地震( m 8 5 ) ，死亡1 1 5 人，损失5 4 亿美元；1 9 9 5 年日本阪神大地震( m 7 2 ) 以及1 9 9 9 年土耳其大地震 ( m 7 2 ) ，都有很大程度的破坏。我国是强地震多发地区，如19 7 6 年唐山大地震 ( m 7 8 ) ，死亡2 4 万人，损失非常严重；1 9 9 9 年台湾大地展( m 7 6 ) 。从1 9 6 6 1 9 7 6 年，我国发生的有些较大的地震均具有强度大、频度高、震源浅的特点。 地震使其所在地区通受到严重甚至是毁灭性的破坏，生命、财产损失惨重。 就近年来说，全球发生的许多大地震，尤其是2 0 0 8 年5 月1 2 日中国汶川大地震，造 成了巨大的人员伤亡和经济损失，为新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救 灾难度最大的一次地震。汶川地震的构造属性为以高角度逆冲为主兼右旋走滑性质， 这种性质的地震在我国第一次发生，在世界上大陆内部发生逆冲型破坏性地震也是罕 见的。汶川地震发生在我国西部山区，同唐山地震这种平原地区地震灾害相比，震害 具有非常显著的不同特征。地震导致大量的桥梁受损和破坏，据2 0 0 8 年6 月1 9 日交通 运输部新闻发言人公布的交通路桥损毁数据，汶川地震共造成2 4 条高速公路、1 6 1 条 国省干线、8 6 1 8 条乡村公路、1 5 6 条隧道受损，受损桥梁高达6 1 4 0 座。公路、桥梁、 隧道各类交通基础设施损毁的直接经济损失达6 7 0 亿元，最为严重的当属桥梁损毁。 在汶川地震中，桥梁垮塌多座，交通运输因此造成了中断，救灾工作受到了严重的影 响。这些在地震中垮塌的桥梁中，公路桥梁经常采用的主要结构形式基本上都包括在 内。地震中有多座桥梁发生垮塌破坏，强烈的地震地面运动或者地面永久的变形是导 致桥梁垮塌的主要原因，因为山体滑坡被土石冲垮的桥梁只是少数部分。生命线工 程桥梁的破坏，不仅其本身破坏严重，更重要的是它的破坏带来的次生灾害。 地震时，桥梁的破坏将导致交通中断，这不仅会影响人们的正常生活和经济运 行，造成严重的经济损失，而且将给震后的抢险、救援、人员硫散带来极大困 难，从而加剧地展灾害。因此，桥梁工程在抗震减灾中处于十分重要的地位。 由于强烈得地震，人类生命财产遭受了严重的损失，除此之外还可能通过对生命线工 程设施的破坏，间接地给人类社会带来更大的灾难。生命线工程是指如供水管网，交 通运输网，电信传输网，电力设施等工程设施。再如l9 7 6 年唐山大地震( m 7 8 ) ， 死亡2 4 万人，损失非常严重；1 9 9 9 年台湾大地展( m 7 6 ) 。从1 9 6 6 m 1 9 7 6 年，我 国发生的有些较大的地震均具有强度大、频度高、震源浅的特点。地震使其所 在地区通受到严重甚至是毁灭性的破坏，生命、财产损失惨重。近期除了中国以 外其他国家也发生了破坏性地震。如秘鲁北部沿海地区发生里氏5 7 级地震、智利发 生里氏8 8 级地震、印度尼西亚东部巴布亚省附近发生里氏6 0 级地震、海地首都太子 港发生6 1 级余震、墨西哥北部下加利福利亚发生里氏7 2 级强震。随着模型试脸技 术、计算理论和电子计算机技术的发展，人们逐渐认识到：尽管从某种意义上 讲，地震作用本身具有随机性、难以预侧性，但预测桥梁在未来地震中的动力 反应却是可行的。此项工作的关键是确定地震动特性与桥梁本身的动力特性。 我国对抗震防灾、减灾工作是相当重视的。并取得了一系列成就。如海城 地震的成功预报，新丰江水库地震前的大坝加固措施以及南黄海地震后及时采 取的对策，均大大减少了地震所造成的生命、财产损失。并制定成相应的规范 条文，以供工程抗震设计部门参考。六十年代初已有了“地震区建筑设计规范 ( 草案) ；1 9 7 1 年颁布了铁路工程抗震设计规范；1 9 7 7 年颁布了公路工程抗震设 计规范。1 9 7 6 年唐山地震之后，对上述规范作了修改。铁路桥梁抗震设计遵循 1 9 8 7 年批准的铁路工程抗震设计规范( g b j ll1 - 8 7 ) ，目前的公路桥梁抗震 设计一般参照2 0 0 8 年批准的公路桥梁抗震设计细则( j t j tb 0 2 一l 一2 0 0 8 ) 。这 两部规范均吸取了国内外新的科研成果和实际震害经验。 1 1 2 研究意义 桥梁在日常生活中显得越来越重要了，除了在交通运输网中显现了重要的地位之 外，当地震灾难发生后，如果这些桥梁垮塌，交通受到严重的阻碍，我们救援工作无 法顺利展开，人员伤亡数量以及经济损失将会更加严重，如在汶川地震中，桥梁垮塌 多座，交通运输因此造成的中断，救灾工作受到了严重的影响。这些在地震中垮塌的 桥梁中，公路桥梁经常采用的主要结构形式基本上都包括在内，造成了严重影响。经 济的快速发展使得城市的步伐快速的向前迈进，这样，在人们日常生活中，城市立交 桥的重要性也非常突出，如果因为强震而被损坏，人们的生命财产损失以及间接的经 济损失同时会受到致命的影响。不同地域的破坏性地震也证实了作为生命线工程之一 的桥梁工程遭到破坏后所引起的严重后果：由于桥梁工程破坏后，导致了震区交通生 命线被切断，继而使救灾工作也变的非常困难，次生灾害同时加重，损失再一次加大。 所以在强震过程中，研究桥梁因地震遭受的破坏机理以及地震响应规律，以及提高桥 梁在地震中的抗震能力，是一个有待我们去解决的问题。同时，桥梁作为一种特殊的 空间结构形式，因为跨径很大需要跨越地质、地貌不相同的地段，所以也导致了支撑 上部结构的桥墩所在的地段情况以及支承本身的结构性能产生很大的差异。随着我国 交通事业的迅速发展，很多桥墩高大跨径较长的桥梁被大量的修建和兴起，特别是修 建在山区的连续刚构桥，桥墩的墩高很大，各桥墩之间的墩差差异也非常之大。修建 大量的高墩大跨径桥梁往往因为山区的地形错综复杂，受到种种限制。但是这种高墩 大跨径桥梁的设计研究还不够成熟，主要表现在：抗震设计目前针对高墩大跨径桥梁 还是比较棘手。高墩大跨径连续刚构桥的地震反应和中小跨径的一般桥梁相比远复杂 2 的多，这样会使抗震设计也比较复杂。比如高阶振型的影响尤为突出，因为结构本身 的特性还需考虑多点激励甚至行波效应得影响、各种复杂的非线性因素、桩一土一结构 相互作用等。如今，针对高墩、大跨径桥梁结构的抗震设计还未有一套正式的规范， 是桥梁结构工程师面临的困难之一。而我国山区铁路以及公路桥梁需要大量的修建这 种高桥墩大桥，所以高墩大跨径连续刚构桥梁结构抗震问题是桥梁结构工程师需要解 决的重要问题之一。所以研究高墩大跨径连续刚构桥的地震反应特点以及减震隔振的 措施，对于此类桥梁的抗震鉴定与加固和抗震设计有着重要的现实意义。由于现在人 们对地震的准确认识还不够全面，各具体场点处局部场地特性的差异导致地震动空间 变化规律人们还无法认知，除此之外，震源特性、传播介质、距离等因素也不能很好 认知，所以我们必须加强对桥梁抗震理论的研究，尤其是对这种高墩、大跨径桥梁结 构的抗震研究具有重要的现实意义。 1 2 高墩大跨连续刚构桥简介及国内外抗震研究发展现状 1 2 1 高墩大跨连续刚构桥的结构特点 刚构桥是一种特殊的结构，是将桥跨结构( 主梁) 与墩台整体固结使之成为整体。 当竖向荷载作用在桥上，主梁会在中间支点处产生负弯矩，从而减少了跨中正弯矩； 桥墩将承受三种力：压力、弯矩以及水平推力。因墩梁固结的特殊结构形式，大跨连 续梁的支座及制动墩或抗震支座也得到节省，从而桥墩的厚度减少，这样有利于采用 悬臂法施工，体系转换的施工工序便可省去。同时这种结构形式不但保持了连续梁无 伸缩缝，行车平顺的优点，同时保持了t 形刚构无需设置支座、无需体系转换的的功 能，结构本身也具有很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，给施工带来便利。因 而具有较好的技术经济性。当然，这种结构形式也存在一些弊端，因为此结构形式属 于超静定结构，由于混凝土收缩、温差的影响、墩台不均匀沉陷和预应力等因素作用， 结构中会因为这些因素产生附加内力。高墩大跨连续刚构桥的桥墩属于高柔性墩，所 以桥墩上部具有较大的纵横向变位是允许的；桥跨径大也有其优点，此类桥梁可以削 弱墩台不均匀沉降引起的附加内力对结构的影响。总体而言，连续刚构梁桥是连续梁 与形刚构的组合体系，高墩大跨径连续刚构桥与其它桥梁相比结构特点主要有以下两 占 、 ( 1 ) 桥墩、梁以及基础三者固结成为整体结构，共同承受荷载； ( 2 ) 墩身形式、高度等对结构受力有影响。 高墩大跨径连续刚构梁桥根据自身结构的特点，有着较为突出的受力特点： ( 1 ) 梁墩固结，上部结构、下部结构共同承受荷载，减小了墩顶负弯矩。 ( 2 ) 连续刚构桥具有结构整体性好，抗震性能优，抗扭能力大，结构受力合理， 桥型流畅等优点。 ( 3 ) 墩属于高柔性墩，允许墩有纵、横向变位。 ( 1 ) 墩壁较薄，墩身在根部固定，当壳体受弯、受扭时，根部应力绝对值有所增 加影响范围较大。 国内已建及在建的高墩桥粱列举如表1 1 ，国内最高混凝土连续剐构桥梁一龙潭河 特大桥如图1l ： 表1 1 国内己建及在建的高增桥梁 桥梁名称 桥型最大墩高m 主墩断面形式 清水河大桥混凝土连续刚构桥 i 0 0矩形单柱空心墩 小关水库特大桥混凝土连续刚构 1 0 0双肢薄壁墩 八渡南盘江特大桥部分型支撑连续粱 1 0 1圆形空心墩 癫子坝特大桥简支粱桥 1 0 2j 空心薄壁墩 龙王庙特大桥混凝土连续粱 0 65矩形空心墩 车子沟特大桥混凝土连续刚构桥 1 0 7 矩形空心墩 崛汀大桥混凝土连续钢构 1 0 8 矩形空心墩 花坡特大桥混凝土连续粱 1 l o圆端形空心墩 魏家洲犬桥混凝土连续钢构 11 4取薄壁空心墩 元江大桥混凝土连续刚构桥 1 2 3 5双薄壁空心墩 马水河特大桥 混凝土连续钢构 1 4 2双薄壁空心墩 洛河特大桥混凝土连续刚构 1 4 3 j双薄壁空心墩 龙潭河特大桥 混凝土连续刚构 7 8取薄壁空心墩 图1 1 拉潭河特大桥 1 2 2 国内外抗震研究发展现状 目前，现行的桥梁工程抗震设计规范绝大数适用范围是中小跨径的一般桥梁，而 对于高墩、大跨径结构的桥梁的抗震设计规范是不适用的。我国公路工程抗震设计规 范适用范围是针对桥梁主跨不超过的梁桥和拱桥，我国铁路工程抗震设计规范虽没有 说明跨径范围，但说明“对特殊抗震要求的建筑物和新型结构应进行专门研究设计 。 从上世纪7 0 年代起，我国交通部和铁道部开始对桥梁的抗震设计非常重视，在公路 工程抗震设计规范n 3 中对于跨径不超过1 5 0 m 的钢筋混凝土和预应力混凝上梁桥、 污工或钢筋混凝土拱桥的抗震设计都有明确的条文规定，即采用反应谱法进行抗震分 析。除此之外，规定采用时程分析法对结构特别复杂的特大桥梁进行抗震计算。规范 目前还没有规定对于跨径超过的大跨度梁桥和拱桥的抗震设计内容。因此，对于跨度 超过1 5 0 m 的大跨度桥梁抗震计算，目前我国规范中并没有明确的条文规定。欧洲于 1 9 9 5 年首先制定了考虑地震动空间变化效应的抗震规范，规定当桥长大于2 0 0 m 且存 在地质不连续或明显不同的地貌时，或当桥梁总长大于6 0 0 m 时对于任何地质情况， 均应该考虑地震动空间变化对结构的影响。 国内在工程具体实践方面，丰硕髓1 建立了苏通长江大桥辅航道桥的数值模拟以 及动力分析模型，考虑了结构自重的几何大变形影响以及桩土效应的影响，同时也研 究了苏通长江大桥辅航道桥的动力特性( 包括自振频率) 和多点激励地震反应分析， 因为桥梁的跨径较长，所以考虑了行波效应对大跨度刚构桥地震反应的影响。史小伟 口3 对中国第一高桥墩大桥进行了动态时程分析，包括对地震动空间变异性各个主要因 素的单独影响、综合影响分别进行了系统分析。扬子江对一铁路曲线连续刚构桥用 反应谱法进行了线性地震反应分析。张伟啼1 利用动态时程分析法对洛河特大桥进行了 地震反应分析，对考虑多点激励与行波效应的因素对该桥各项地震响应进行了比较。 李衷献哺3 利于线性时程反应分析对一跨度为2 0 0 m 混凝土连续刚构桥进行了地震反应 分析，通过不同的视波速进行比较。黄小国等盯3 利用大型结构分析程a n s y s t r a n s i e n t 。 对地震波三向正交分量独立作用和联合作用下大跨连续刚构桥的地震反应的行波效 应进行了时程分析的数值模拟，分析了大跨连续刚构桥在各向振动分量的作用，以及 各向振动不同相位差的行波效应；张亚辉等鹏1 分析了地震波视波速对体系极值响应 的影响，并讨论了动态相对位移和拟静位移分量对体系极值响应的贡献。马坤全 9 1 u 们利用动态时程分析法对高墩连续梁及连续刚构桥的空间地震响应进行了数值模拟 和分析，陈淮等n 1 1 等采用子空间迭代法计算了大跨径连续箱梁高架桥的横向自振频率 及振型，郭国会等u 幻利用分析软件对小浪底水利工程中南村黄河大桥高墩进行了抗 震分析。李睿等n 3 1 针对桥梁的高墩抗震编制了计算程序，将上部结构及主梁简化为集 中质量后，通过调整各桥墩或上部结构的刚度或质量来达到减少高墩纵向地震响应的 效果，建议将高墩与矮墩以及梁的质量和刚度作为变量，通过优化设计，以使高墩与 矮墩之间的地震响应分配最合理。董明等n 们n 5 3 对高墩的p 一效应的研究结果表明： 小于2 0 m 的桥墩而且取一个振型计算，可不考虑p a 效应，对2 0 m 以上的高墩进行振 5 型分析时，可以不考虑p 一效应，但应该取两个以上振型计算。田仲初等n 叼对桥梁 高墩的边界非线性进行了分析研究，支座处采用板式橡胶支座。叶爱君等n 7 1 采用桥梁 所在场地的人工波对一高墩模型进行抗震性能和抗震能力分析，并模拟地震振动台试 验，对高墩的墩项位移响应经行研究，通过实验和理论分析结果做对比分析。戴公连 等u 明编制了结构几何非线性程序对喜旧溪大桥有机玻璃试验模型进行了非线性分 析。张开敬n 钔针对南昆线清水河大桥的高墩制作了1 1 4 的缩尺模型进行了试验研究。 林宝良利用动态时程分析法对西港高架桥2 0 m 跨空心板抗震设计的工程实例进行了 计算分析和总结。l i u ，y u n 等硷妇利用瞬态时程分析法分析了在随机动态荷载作用下， 大跨度钢桥桥面的动力响应特性，同时这项研究提供了路面混合料设计的理论依据， 也对建设和维护钢桥面提出了更高的要求。陶皎蛟等吻3 用a n s y s 程序对重庆某长江大 桥建模。在考虑了重力及斜拉索初应力的情况下进行了模态分析，得到其自振频率和 振型特征。输入加速度时程采用修改后的e 1 - c e n t r o 波，分别考虑了横向、竖向、纵向 输入及行波激励，得到其地震响应，并对位移响应结果和内力响应结果进行分析、验 算。邱新林1 基于有限位移理论，用f o r t r a n 语言编制了桥梁非线性地震反应分析程 序n s r b s ，程序能充分考虑所有几何非线性影响因素。结合实例，建立了大跨度斜拉桥 在自重及斜拉索初张力作用下的地震激励模型：通过计算探讨了几何非线性因素对大 跨度斜拉桥的自振特性及地震反应的影响。最后，经过动态时程反应分析得知，该桥抗 震性能良好，地震荷载不控制设计。黄伟等乜铂以宜昌长江铁路大桥为工程背景，利用动 态时程分析方法计算宜昌长江铁路大桥的地震响应，在分析中综合考虑了宜昌长江铁 路大桥的场地土特性、地震烈度以及地震作用方向等因素的影响，研究表明宜昌长江 铁路大桥总体抗震性能较好，抗震薄弱环节主要集中在桥墩墩底以及梁拱墩结合部， 主拱内力响应较小，但位移响应较大。a g h a f f a r 乜5 】嘲在时间域用逐步积分法对大跨度 桥梁的抗震性能作了很多研究；彳砂s n a z m y 3 和y a m a m u r a 用时域方法进行了多点 激励下桥梁结构非线性抗震分析研究；彳d k i u r e g h h i a n 汹3 和e h v a n m a r c h e 四3 等人 从随机振动基本方程出发来研究多点不均匀地震激励问题，但是在计算量上遇到了很 大的困难，最终又退回到用近似的反应谱方法作为求解随机振动方程的手段；l i n y k 等1 将输油管线视为多个支点的连续梁，受平稳随机地震作用，并用严格的随机振动 方法来求解；c a r a s s a l e 等3 提出了一种近似方法并基于一个简化模型计算了一座大跨 度桥梁；u s a m i ，t s u t o m u 等幻采用动态时程分析法对大型拱桥进行抗震性能检查。 f i l i a t r a u l t ，a 等口3 1 建立了一种非线性动力学模型，并采用动态时程分析法对希普肖斜 拉桥进行了试验研究，这些分析的结果证实了希普肖斜拉桥在萨格奈地震破坏的直接 原因。 1 3 本文主要研究内容 随着我国建设事业的发展，山区道路要求修建更多的桥梁，桥墩也越来越高， 目前对于桥梁结构薄壁高墩抗震的研究较少，研究大跨高墩桥梁的地震反应，对完善 6 我国桥梁设计规范具有重要的意义。有鉴于此，本文对薄壁高墩连续刚构桥地震反应 做了一些探讨。本文的主要研究内容如下： 1 ) 利用m i d a s c i v i l 对高墩大跨连续刚构桥梁动力特性经行了分析，通过计算它 的自振频率，振型分析，总结其自振规律； 2 ) 对高墩大跨连续刚构桥进行地震反应分析，并选择了不同种工况的地震荷载施 加于桥梁结构上进行研究，计算方法分别采用反应谱分析法和动态时程分析法；结构 在相同地震荷载作用下，比较了谱分析结果与时程分析的一致激励情况结果进行了数 值对比，得出结构在抗震分析中应该如何准确地使用计算方法； 3 ) 取不同的地震波传播速度以及不同的墩高高差对桥梁进行内力时程分析，考虑 行波效应的影响，得出一般性规律。 4 ) 采用在两端桥台上加铅芯橡胶支座隔震装置作为减震措施，结构地震反应大 幅下降，且受力分配变的均匀，有利于结构受力。 7 第二章桥梁抗震理论基础 2 1 结构地震反应分析方法发展概述 结构地震反应分析的主要方法有：静力法、反应谱分析方法、动态时程分析方法、 随机振动法。 2 1 1 静力法 静力法口钉是结构抗震分析中最早采用的方法。日本学者房森大吉早在1 8 9 9 年就 提出了静力法的概念：假定结构物完全刚性，其运动特点与地面震运动相同。因此结 构物的惯性力为： f = m x a = = w x a m 戤g = k x w ( 2 1 ) 其中w 为结构物重量，k 为地震动峰值与重力加速度g 的比值。 静力法由于假定结构完全刚性，完全忽略了结构在地震作用下可能的共振作用， 有很大的局限性，只适用于刚度很大的结构。即只有当结构的基本周期远小于地震 动卓越周期时，在地震作用下结构本身变形小到可以忽略程度时，静力法才能 成立；对于柔性结构，静力理论则会给出偏离真实情况很远的反应评价。随着 人们认识的逐步深入，静力法逐渐被反应谱法代替。 2 1 2 反应谱法 1 9 4 3 年，比奥特( 肘a b i o t ) 提出了反应谱的概念，并给出了世界上第一条弹性反 应谱曲线。1 9 4 8 年，豪斯纳( g h o n s e r ) 提出基于加速度反应谱曲线的弹性反应谱 法。自1 9 5 8 年第一届世界地震工程会议之后，这一方法被许多国家所接受，并逐渐被 采纳应用到结构抗震设计规范中。地震动反应谱理论保持了原有的静力理论形式，建 立了地震动特性与结构动力特性之间的关系。反应谱理论汹儿蚓可以反映结构物的动力 特性，但是反应谱理论本质还是采用“地震荷载 的形式，是一种静态方法的设计过 程，计算地震力时仍以强度破坏为准则，一般使用反应谱理论作为抗震设计的初步手 段。实际地震动是一种随机过程，地震时实际结构还存在着非线性二次效应、结构一 土一的相互作用等许多问题但是反应谱理论计算较为简单，且对常用桥梁结构型式的 中、小跨度桥梁的抗震设计，采用反应谱法基本上能满足要求。弹性反应谱方法通过 反应谱概念将动力问题静力化，简化了结构的地震反应计算，结构的整体抗震设计得 到了有力的保障，现阶段各国规范将反应谱分析法作为一种结构抗震设计分析的基本 的分析手段，作为抗震设计工作的初步设计，但是这种方法安全系数低，反应谱有自 己的缺点，比如它无法反应地震动持时和非线性的影响，对多振型反应谱法，还存在 8 振型组合问题等。此外，基于弹性反应谱理论的现行规范设计方法，还往往使设计者 只重视结构强度，而忽略了结构所应具有的非弹性变形能力( 延性) 。 反应谱方法考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，又保持了原有静 力理论形式。它将结构所受最大地震力写为如下形式： f = k f l ( t ) w = k s o ( t ) w a r 99 、 其中o a uj 为加速度反应谱，a 为地震动最大加速度。 对于多质点体系，应用有限元法，可根据方程( 2 3 ) 利用振型分解法分解成一系 列相互独立的振动方程，从而将多质点体系的复杂振动分解成各个振型的独立振动， 这就可以采用单质点体系的反应谱理论来计算各振型的最大反应，然后采用适当的方 法( s r s s ，c q c ，i g o c 等) 相组合来求解地震力。 m 戈) + c 戈) + k z ) = 一m 阮( ，) ) f 23 、 振型组合：目前，振型组合问题已经得到较好的解决。国内外学者提出了多种反 映谱组合方法，应用最广泛的是基于随机振动理论提出的各种组合方案，如完全二次 组合法( c q c ) 、平方和开方法( s r s s ) 等儿蚓。 c q c 方法的表达式为： k = ( 2 4 ) 式中，j d ：i i 为振型组合系数。对于所考虑的结构，若地震动可看成宽带随机过程， 这噪声( 能量随频率均匀分布的随机过程) 下的蛳值是实际0 情况的一个良好近，此 时： 岛2 研溯一 亿5 ， q ， 其中y ：q ，若采用等阻尼比，即岛：乞：，则： 岛2 一 亿6 ， 体系的自振周期相隔越远，则岛值越小。如当：) ， + o 2 ，则岛 如 九，则最大的特征值 = ，对应着体系最 叶 低的振动频率。将 和 l 代入( 3 1 2 ) 式中，得： 【d ) f = a ， ( 3 1 3 ) 上式表明：对于精确的振型，新向量【d 】 妒 ，与原来的向量 驴) ，的各个元素之间都相 差同一常数因子，这个因子即为特征值九。由于体系的n 个振型是线性无关的，它们 构成r l 维空间的一组基底，因此对于任意的初始迭代向量可表示为： x ) 。= q 驴) 。+ 呸 ) 2 + + 驴) 厅 ( 3 1 4 ) ( 1 ) r a y l e i g h r i t z 方法 它是一种近似的有效计算方法。一般来说，用此法求出的低阶特征值和相应的特 征向量效果较好，对于高阶的特征值和相应的特征向量效果并不理想，它是在维矢量 空间的一个子空间中，寻找瑞利商的驻值点即近似特征向量和相应的驻值即相应的近 似特征值对于简单的结构，选取合适的初始子空间比较容易。 ( 2 ) 广义j a c o b i 法 广义雅可比法实际上是经典雅可比法的推广，当质量矩阵是单位矩阵时，广义 雅可比法就退化为经典雅可比法了。广