（道路与铁道工程专业论文）高墩大跨曲线连续刚构桥梁地震响应的设计参数研究.pdf

捅要我国西部大部分地区属山岭重丘区，山高谷深、地形险峻。山区修建的桥梁，特别是高等级公路上的桥梁，其特点是桥墩高，跨径大，结构平面线形复杂。这些地区很多处于地震多发带，地震作用不可忽略。与中小跨径桥梁相比，高墩大跨径桥梁特别是曲线桥梁结构的地震响应及抗震设计更为复杂。我国现行公路工程抗震设计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) 中只对跨径不超过1 5 0 m 的梁桥和拱桥作出了规定，而对于跨径超过1 5 0 m 的桥梁则未有涉及。我国现行铁路工程抗震设计规范( g b j l l l 8 7 ) 虽没有适用跨径范围限制，但明确要求“有特殊抗震要求的建筑物和新型结构应进行专门研究设计”。因此，对该类桥梁的动力性能及地震响应分析进行专题研究很有必要，并已经列为国家西部交通建设科技项目。论文主要针对高墩大跨径曲线连续刚构桥的地震响应进行了大量的数值计算分析，初次系统地研究了结构设计参数对该类桥梁地震响应的影响规律。基于空间刚架结构的有限元方法，利用a n s y s 程序建立了考虑多因素的分析模型，采用了模态分离技术对室内曲线连续刚构桥进行了动力试验，验证了模型建立的正确性。论文首次利用正交试验表对高墩大跨连续刚构桥地震响应的敏感性参数进行了数值计算，分别考虑了墩高、下部结构计算模式、行波效应、结构跨数、地震波种类等参数对桥梁结构地震响应的影响，结果表明影响高墩大跨连续刚构桥地震响应的敏感性参数为墩高及下部结构计算模式。对曲线连续刚构的下部结构设计参数进行了单因素分析，分别研究了墩底固结和桩土作用下单双薄壁墩、双薄壁墩截面形式、双薄壁墩间距、墩梁刚度比、系梁的设置等结构型式或设计参数对曲线连续刚构桥动力性能的影响，并以e l c e n t r o 波为例对结构进行线弹性地震时程分析。结果表明，桩土作用对曲线连续刚构桥地震响应的影响比较大，墩梁刚度比及系梁设置的道数会改变桥梁纵横向的刚度比，从而影响结构的振型序列和关键部位的地震响应，从动力性能上看，应尽量少设置系梁；而系梁设置的位置则对结构地震响应影响不明显；与单薄壁墩相比，采用双薄壁墩可以明显改善桥梁的地震响应；在材料用量相当的情况下，双薄壁实心墩桥梁综合地震响应小于空心墩的地震响应；双薄壁墩间距在常见的范围内( 跨径的1 2 0 1 2 5 ) 变化时结构地震响应的变化很小。分别研究了圆心角、主梁高跨比、主梁宽跨比、桥梁结构跨数等上部结构设计参数对曲线连续刚构桥地震响应的影响，并给出了曲线桥与直桥频率比的回归关系式。研究表明，如果不考虑扭转，在相同条件下，曲线连续刚构桥综合抗震性能优于直桥的抗震性能，当曲线刚构桥的单跨圆心角小于3 0 0 时，曲线桥结构可以当作相应跨径的直桥进行抗震设计：在常见的高跨比范围内( 跨径的1 1 5 1 2 0 ) ，主梁高跨比的改变对桥梁地震响应的影响较小，宽跨比的改变( 即箱梁采用直、斜腹板或者改变翼缘板长度) 对结构的地震响应影响也较小。论文对高墩大跨曲线连续刚构桥地震响应的研究成果可供此类桥梁抗震设计参考，也可为同类桥梁初步设计阶段实现抗震概念设计提供技术支持。关键词：曲线连续刚构地震响应数值计算正交试验结构设计参数概念设计a b s t r a c tw e s t e r nr e g i o no fc h i n ai sam o u n t a i n o u sz o n e ，w i t hh i g hm o u n t a i n sa n dd e e pg o r g e s ，s t e e pt e r r a i n b u i l d i n gb r i d g e si nt h e s em o u n t a i n s ，e s p e c i a l l yi nh i g h - r a n k e dh i g h w a y , i sc h a r a c t e r i z e db yh i g hp i e r s ，l o n gs p a n ，c o m p l e xh o r i z o n m ll i n e m a n yo ft h e s ea r ei ne a r t h q u a k e p r o n ea r e a sb e l t ，e a r t h q u a k el o a ds h o u l dn o tb eo v e r l o o k e dc o n t r a s t e d 、w i t hs h o r ta n dm e d i u ms p a nb r i d g e s ，t h eb r i d g e so fh i g h p i e ra n dl o n g s p a n ，e s p e c i a l l yw i t hc u r v a t u r e ，h a v em o r ec o m p l e x i t yi na n a l y z i n ge a r t h q u a k er e s p o n s ea n de a r t h q u a k er e s i s t a n td e s i g n c h i n a s ”s p e c i f i c a t i o n so fe a r t h q u a k er e s i s t a n td e s i g nf o rh i g h w a ye n g i n e e r i n g ”( j t j 0 0 4 8 9 ) c u r r e n t l ya d a p t sf o rt h eg i r d e rb r i d g e su n d e r15 0 ma n da r c hb r i d g e s ，n o ti n v o l v i n gt h eb r i d g e sw i t hs p a nb e y o n d15 0 m t h o u g ht h e r ei sn o ta p p l i c a b l es p a n sl i m i ti nt h ec u r r e n t ”r a i l w a ye a r t h q u a k ed e s i g nc o d e s ”( g b j l11 - 8 7 ) ，i tc l e a r l yr e q u i r e s ”s p e c i a le a r t h q u a k er e q u i r e m e n t sf o rb u i l d i n g sa n dn e ws t r u c t u r e ss h o u l db ed e v o t e dt os p e c i a ld e s i g n t h e r e f o r e ，t od e e p l ys t u d yd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n de a r t h q u a k er e s p o n s eo f t h i sk i n do fb r i d g ei sn e c e s s a r y , a n di ti sd e s t i n e df o rt h et o p i co fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t sf o rw e s t e mt r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o n t h ep a p e r , f o c u s i n go ne a r t h q u a k er e s p o n s eo fc u r v e dc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e sw i t hh i g hp i e ra n dl o n gs p a n ，c a r r i e so u tl a r g eq u a n t i t yo fn u m e r i c a la n a l y s i s ，a n ds t u d i e ss y n t h e t i c a l l yt h es t r u c t u r a ld e s i g np a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c et h es t r u c t u r a ls e i s m i cr e s p o n s ef o rt h ef i r s tt i m e b a s e do ns p a t i a lr i g i df r a m e sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；a n s y si se m p l o y e dt ob u i l du pm o d e l st a k i n gi n t oa c c o u n ts e v e r a lf a c t o r s ，a n dm o d a lt e s t sf o rt h ec u r v e dc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ei n d o o r s ，u s i n gm o d a l s e p a r a t i o nt e c h n i q u e ，v e r i f i e st h ec o n s i s t e n c yo f t h et h e o r e t i c a lr e s u l t s u s i n gc r o s st e s tt a b l e ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h es e n s i t i v ep a r a m e t e r st or i g i df r a m eb r i d g e ss e i s m i cr e s p o n s ew h i c hi n c l u d et h ep i e rh e i g h t ，t h es u b s t r u c t u r ec a l c u l a t i o nm o d e ，w a v e t r a v e l i n ge f f e c t ，s t r u c t u r a ls p a n sa n dt h et y p eo fw a v e t h es t u d ys h o w st h ep i e r sh e i g h ta n dt h es u b s t r u c t u r ec a l c u l a t i o nm o d ea r es e n s i t i v ep a r a m e t e r sf o rs t r u c t u r a ls e i s m i cr e s p o n s e s i n g l e f a c t o rm e t h o di sa d o p t e dt oa n a l y z et h es t r u c t u r et y p eo rd e s i g np a r a m e t e r sa f f e c t i n gd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ec u r v e dc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e s ，w h i c ha r ec o m p o s e do fs i n g d o u b l et h i nw a l lp i e r , s e c t i o nt y p eo fd o u b l et h i n w a l lp i e r , t h er i g i dr a t i oo fp i e ra n dg i r d e r , t h es p a c i n go ft h ed o u b l et h i n - w a l lp i e ra n dt h et i eb e a ms e t t i n g t h e nt h el i n e a rs e i s m i cr e s p o n s ei sd e r i v e du n d e rt h ee x c i t a t i o no fe l c e n t r ow a v e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es o i l s t r u c t u r e - i n t e r a c t i o n ( s s i )a f f e c t st h ec u r v e db r i d g e ss e i s m i cr e s p o n s eg r e a t l y ；t h er i g i dr a t i oo fp i e ra n dg i r d e rw i l lc h a n g et h es t r u c t u r a lr i g i dd i s t r i b u t i o n ，s od o e st h et i eb e a ms e t t i n g b o t ho f t h e ma f f e c tt h es t r u c t u r a lm o d es h a p es e q u e n c ea n dt h ek e yp a r t s s e i s m i cr e s p o n s e ，a n df r o mt h ev i e w p o i n to fd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h et i eb e a mi ss u g g e s t e dt ob es e ta sl e s sa sp o s s i b l e ，w h e r e a s ，t h et i eb e a m sp o s i t i o ni sn o ti m p o r t a n tf o rt h es e i s m i cr e s p o n s e c o m p a r e dw i t ht h es i n g l et h i n w a l lp i e rb r i d g e s ，t h ed o u b l et h i n w a i lp i e rb r i d g e sh a v eab e a e rs e i s m i cp e r f o r m a n c e i ft h es o l i d p i e r - b r i d g ea n dt h eh o l l o w p i e r - b r i d g eh a v ea p p r o x i m a t es e c t i o na r e a , t h ef o r m e r ss e i s m i cr e s p o n s ei sl e s st h a nt h a to ft h el a t t e r , t h es e i s m i cr e s p o n s e 如n o ts e n s i t i v et ot h es p a c i n go ft h ed o u b l et h i n w a l lp i e rw h i c hv a r i e sb e t w e e nt h e1 2 0a n d1 2 5o f t h es p a n c e n t r a la n g l e ，h e i g h t s p a nr a t i o ，w i d t h - s p a nr a t i o ，s p a n sa r ec o n d u c t e dt oc o n s i d e rt h es u p e r s t r u c t u r ep a r a m e t e r si n f l u e n c i n gs e i s m i cr e s p o n s e ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h er a t i oo ff r e q u e n c yb e t w e e nt h ec u r v e da n ds t r a i g h tb r i d g e si sr e g r e s s e d t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ec u r v e dr i g i df r a m eh a sb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c et h a nt h a to ft h es t r a i g h to n ei ft h eg i r d e r st o r s i o ni sn e g l e c t e d ，a n dt h ec u r v e db r i d g e sc a nb ec a l c u l a t e da ss t r a i g h to n e su n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h em a i nc e n t r a la n g l ei sl e s st h a n3 0d e g r e e t h es t r u c t u r a ls e i s m i cr e s p o n s ev a r i e ss l i g h t l yw i t ht h ec h a n g eo ft h eh e i g h t s p a nr a t i oa n dt h ew i d t h s p a nr a t i o t h er e s u l t sc a ng i v er e f e r e n c et ot h ee a r t h q u a k er e s i s t a n td e s i g no ft h ec u r v e dc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e sw i t hh i g h p i e ra n dl o n g s p a n ，i tc a na l s op r o v i d et e c h n i c a lb a s i sf o rc o n c e p t u a ld e s i g ni n t or e a l i t yi np r e l i m i n a r yd e s i g ns t a g e k e y w o r d s ：c u r v e dc o n t i n u o u sr i g i dm e t h o d o l o g y , c r o s st e s tc o n c e p t u a ld e s i g nf r a m e ，s e i s m i cr e s p o n s e ，n u m e r i c a lt e s tt e c h n i q u e ，s t r u c t u r a ld e s i g np a r a m e t e r s ，论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：闩笏知。( 年6 月) 7 日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：导师签名：栩磊多06 年6 月【弓日年月日第一章绪论1 1高墩大跨连续刚构桥的发展概况1 1 1 连续刚构桥的发展1 9 5 3 年原联邦德国首次采用了悬臂施工法建成了主跨1 1 4 2 米的沃伦姆斯桥，从而发展了预应力混凝土结构的一种新体系t 形刚构，并对其他体系桥梁产生了深远影响。t 形刚构因其独有的优点一经问世便得到了长足的应用和发展。1 9 6 4 年联邦德国又建成了主跨为2 0 8 米的本道夫( b e n d o r 0 桥，不仅再一次成功地显示出悬臂施工法的优越性，而且在结构上又有新的创新，薄壁的主墩与上部结构主梁固结，形成了带铰的连续刚构体系。7 0 年代后，日本连续修建了类似的滨名、浦户大桥。随着高速公路的迅速发展，要求行车平顺舒适，多伸缩缝的t 型刚构已不能很好地满足要求，因此连续结构体系得到了迅速的发展，连续梁悬臂施工时，墩梁临时固结，合拢后墩梁处改设支座，转换体系而成连续梁，除两端外其他处无伸缩缝，有利于行车，但需墩梁临时固结和转换体系，同时需设大吨位盆式支座，费用贵，养护工作量大。于是连续刚构应运而生，并在近些年来得到了较快的发展。其结构特点是梁体连续、墩梁固结，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了t 型刚构不设支座、不需转换体系的优点，方便施工，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度，能满足特大跨径桥梁的受力要求。8 0 年代后，世界各国建造了多座不带铰的连续刚构体系，并发展了刚构体系的另一种形式刚构一连续体系，其中以1 9 8 5 年澳大利亚建成的主跨为2 6 0 米的门道桥和挪威1 9 9 8 年底建成的主跨为3 0 1 m 的s t o l m a s u n d e t 桥最为著名。自从1 9 9 0 年我国建成第一座大跨径连续刚构一广东洛溪大桥( l = 1 8 0 m ) 后，经过十几年的推广应用，连续刚构已成为我国设计大跨径( 6 0 3 0 0 m ) 桥梁的主选桥型，并且在世界同类桥梁中占有重要的地位。平原微丘地区修建连续刚构也已司空见惯，这方面的工程实例很多，如广东虎门大桥、湖北黄石大桥等。随着高速公路向山区发展，大跨径连续刚构桥，开始在山区得到应用，如云南沅江大桥、阿墨江大桥、贵州六广河大桥等。可以预计今后几年内在西部山区会有更多的连续刚构建成。目前国内外一些大跨径的连续刚构桥见表1 1 1 “1 。表1 1 1国内外典型大跨径混凝土连续刚构桥( l 2 4 0 米)桥名国家建成年跨径( m )一重庆石扳坡长江大桥复线桥中国在建3 3 0s t o l m a s u n d e t挪威1 9 9 83 0 1r a f ts u n d e t 桥挪威1 9 9 98 6 + 2 0 2 + 2 9 8 + 1 2 5s u n d o v挪威2 0 0 02 9 8虎门大桥辅航道中国1 9 9 71 5 0 + 2 7 0 + 1 5 0云南元江大桥中国2 0 0 35 8 + 1 8 2 + 2 6 5 + 1 9 4 + 7 0门道( g a t e w a y ) 桥澳大利亚1 9 8 51 4 5 + 2 6 0 + 1 4 5瓦洛得( v a i n d d 2 ) 桥挪威1 9 9 42 6 0福建下白石大桥中国2 0 0 31 4 5 + 2 2 6 0 + 1 4 5一隆纳高速泸洲长江二桥中国2 0 0 02 5 2马鞍石嘉陵江大桥中国2 0 0 21 4 6 + 3 2 5 0 + 1 4 6重庆嘉陵江黄花园大桥中国1 9 9 91 3 7 + 3 2 5 0 + 1 3 7s c h o c t w i e n 桥奥地利1 9 8 92 5 0o p o r t o 桥葡萄牙1 9 9 l2 5 0黄石长江公路大桥中国1 9 9 56 2 5 + 3 2 4 5 + 1 6 2 5江津长江大桥中国1 9 9 74 0 + 2 4 0 + 1 4 0重庆嘉陵江高家花园大桥中国1 9 9 71 4 0 + 2 4 0 + 1 4 0泸洲长江二桥中国1 4 0 + 2 4 0 + 5 5 5我国是目前连续剐构桥修建最多的国家之，而且随着近期修建的大跨径连续刚构桥越来越多，对其设计、施工方法及施工控制进行研究也成为热点问题”h ”3 。1 1 2 高墩的发展概况据相关文献“”介绍，虽然国外对连续刚构桥的研究起步很早，但很少有见到墩高在6 0 m 以上的大跨连续刚构桥的有关报道，在国内，铁路桥中墩高最大的是南昆铁路清水河大桥( 最大墩高1 0 0 m ) “”，它也是目前世界上最高的铁路桥墩。我国西部属山岭重丘区，山高谷深、地形复杂险峻。山区修建桥梁，特别是高等级公路上的桥梁，其特点是桥墩较高。故在最近的几年来，高墩桥梁在公路上已逐渐得到应用，如在沪蓉国道主干线的龙潭河特大桥，该桥为1 0 6 + 3 2 0 0 + 1 0 6 m的预应力混凝土连续刚构，最大墩高达1 7 8 米，居国内梁式桥高墩之最“。表1 1 2 为国内典型的几座高墩桥梁情况。表1 1 2 国内典型高墩桥梁桥名主跨( m )墩高及形式沪蓉线龙潭河特大桥2 0 0双薄壁墩，晟大墩高1 7 8 米陕西洛河大桥1 6 0双薄壁墩，最大墩高1 4 3 5 米云南元江大桥2 6 5双薄壁墩，最大墩高1 2 3 米内昆铁路花土坡特大桥1 0 4最大墩高1 1 0 米内昆铁路李子沟特大桥1 2 8最大墩高1 0 7 米云南阿墨江大桥1 3 0双薄壁墩，最大墩高1 0 4 米陕西徐水河特大桥2 0 0双薄壁墩，最大墩高9 8 米贵州六广河大桥2 4 0双薄壁墩，最大墩高9 0 米喜旧溪河大桥8 8双薄壁墩，最大墩高5 9 米南昆线清水河大桥1 2 8变截面单肢箱形薄壁墩，最大墩高1 0 0 米南昆铁路2 号桥7 2等截面单肢矩形薄壁墩，晟大墩高5 8 米贵州乌溪特大桥9 7 + 1 6 0 + 9 7双薄壁墩，最大墩高7 0 米贵州小阁垭特大桥2 1 3 8 1双薄壁墩，最大墩高7 0 米连续刚构桥的高墩一般为柔性墩，从构造上讲，柔性墩可分双薄壁墩和单薄壁墩两种，墩的横截面一般为箱形，对墩身较高的单薄壁墩，横截面一般采用变截面空心形式，如南昆线清水河大桥。连续刚构桥当主跨大于1 2 0 米时，主墩多采用双薄壁箱形墩，当跨径在8 0 1 2 0 米时，为简化墩身施工，多采用工字形双薄壁墩，当跨径小于8 0 米时，多采用单柱式箱形墩身，在墩的高度不大时也有采用双柱式实一1 1 , 薄壁墩墩身。”“”。由于高墩的稳定性问题比较突出，为了增大薄壁墩墩身的稳定系数，在双薄壁墩身中间往往设置横系梁。横系梁道数视墩高而定，如贵州六广河桥一个主墩高7 0 米，设了一道横系梁，另一个主墩高9 0 米，设了两道横系梁。被誉为“亚洲第一高桥”的龙潭河特大桥桥墩每6 0 米设置一道系梁，每个桥墩共设2 道系梁，而在单薄壁墩内为了增加刚度每隔3 0 米设置一道横隔板。1 1 3 曲线桥的发展概况”早在3 0 年代，人们就已对曲线梁桥的有关问题进行了理论分析和研究。最初的曲线梁桥是一座德国的钢桁架铁路桥( 1 9 1 4 年) 。随着钢筋混凝土尤其是预应力混凝土结构的应用，激发了各国工程师们的创造力，为大量修建混凝上曲线梁桥奠定了物质基础。回顾曲线梁桥发展史，首先应归功于高等级公路的发展和城市交通立体化建设的需要。国际上曲线梁桥主要是在7 0 年代得到了大发展，国内则主要是在8 0 年代中得到了迅速发展。在1 9 9 年年底，国内首次邀请了美国马里兰大学c p h e i n 教授来华介绍了曲线梁桥的设计理论，引起了国内工程界的重视。经过了一段时间的摸索、实践和研究，于1 9 8 7 年1 2 月在沈阳市首次召开了以立交桥工程为中心的学术交流会，相互间交流了弯、坡、斜桥建设中的各种学术问题，随后在各种学术性的会议和刊物上都有一些曲线梁桥方面的论文发表。1 9 9 7 年我国建成了第一座铁路平曲线梁桥南昆铁路板其2 号大桥。尽管目前在曲线梁桥的研究方面还有很多工作要做，但我们毕竟已经迈出了第一步，积累了些经验，并且还在做更为细致的研究和探索。表1 1 3 中列出了国内、外部分典型混凝土曲线梁桥的资料。表1 1 3 国内外典型混凝土曲线桥曲线半径桥名国别建成年跨径组成( m )各注( m )r a f ts u n d e t 桥挪威1 9 9 88 6 + 2 0 2 + 2 9 8 + 1 2 53 0 0 0连续剐构虎门大桥辅中国1 9 9 71 5 0 + 2 7 0 + 1 5 07 0 0 0连续刚构航道桥肯森大桥日本1 9 8 71 2 8 + 2 4 0 + 1 2 84 0 8 0 0连续刚构让纳维利埃桥法国1 9 7 61 0 5 + 1 7 2 + 7 4 1 7 + 1 7 2 + 1 1 36 5 0连续刚构厦门海沧大桥西航道桥中国1 9 9 97 8 + 1 4 0 + 7 8 + 4 2 + 4 29 0 0连续刚构k e l e s k u英国1 9 8 77 1 9 + 1 3 2 + 7 191 4 3连续剐构b r i d g e云南阿墨江中国在建7 0 + 2 1 3 0 + 7 02 6 0连续刚构大桥贵州沙银沟中国在建6 8 + 1 2 0 + 2 66 2 0连续刚构大桥陕西黑河亭中国2 0 0 06 0 + 6 1 0 0 + 6 05 8 3刚构连续口大桥c a i l l o nb r i d g e瑞士1 9 7 42 3 9 27 6 0择水二桥日本7 5 + 9 1 + 8 63 0 0连续刚构南昆铁路板中国1 9 9 73 2 8 7 + 3 2 8 4 + 4 4 6 8 + 7 2 o + 4 4 6 8 + 3 2 9 04 5 0连续刚构其2 号大桥l o s l o m s美国5 3 6 + 7 1 3 + 5 3 67 6l i n nc o v e美国1 9 8 53 0 + 4 8 + 4x5 5 + 5 0 + 3 07 6连续刚构v i a d u c tb o wr i v e r加拿大1 9 8 24 0 + 7 5 0 + 4 01 3 0 2 0 0连续刚构b r i d g e总结这几年连续刚构的发展趋势，大致有如下几方面。( 1 ) 跨径及上部结构连续长度的不断增大跨径的不断增大说明设计建造技术的不断完善。据文献资料预测“1 ，在条件适宜的情况下连续刚构连续长度可达到1 2 0 0 1 5 0 0 m 。( 2 ) 上部构造不断轻型化由于采用高强混凝土和轻质混凝土，上部构造不断轻型化，结构的轻型化，可以减少上下部构造的自重和材料用量，可以减轻对挂篮的要求，降低造价。( 3 ) 桥墩的高度越来越大由于沟壑峡谷地区修建桥梁，不可避免的会采用较高的桥墩，与此同时，连续刚构桥可以较好地利用高墩的柔性来适应结构由预应力、混凝土收缩徐变和温度变化引起的纵向位移。( 4 ) 曲线桥越来越多同样，在山区和黄土地区修建高速公路，由于地形的限制，曲线桥结构会得到较多的应用。( 5 ) 采用大吨位锚具和简化预应力束大吨位锚具的不断发展进步，为大跨径桥梁预应力设计提供了方便。此外，目前连续刚构预应力钢束设计为方便施工，尽量取消弯起束和连续束，以竖向预应力和纵向预应力来克服主拉应力，这已成为趋势。( 6 ) 取消边跨合拢的落地支架在高墩的情况下，取消落地支架，在导梁上合龙边跨。1 2 高墩大跨连续刚构桥抗震设计概况1 2 1 大跨径桥梁抗震问题目前，国内外现有的绝大多数桥梁工程抗震设计规范( 见表1 2 1 ) 只适用于中等跨径的普通桥梁，超过适用范围的大跨径桥梁的抗震设计，则无规范可循。我国现行公路工程抗震设计规范只适用于主跨不超过1 5 0 m 的梁桥和拱桥，我国铁路工程抗震设计规范虽没有规定跨径范围，但指出“有特殊抗震要求的建筑物和新型结构应进行专门研究设计”。与中小跨径桥梁相比，大跨径桥梁的地震响应及抗震设计更为复杂。国内相关学者特别是高等学校在这方面做了大量的研究工作，取得了一些科研成果“”叫2 “。西南交通大学郑史雄教授。”在对大跨连续刚构桥的地震响应分析指出：对于埋深较大的深基础来说，应考虑地震沿深度的变化和土与结构相互作用对桥梁地震响应的影响，在对长大跨径桥梁进行地震表1 2 1主要国家的桥梁抗震设计规范适用范围比较抗震设计规范名称适用范围破坏准则思想美国a a s h t o跨径小于1 5 0 米的普通钢、混三级二次强度破坏准则( 1 9 9 5 )凝土和箱梁桥设计( 弹性阶段)美国加州交通运输部跨径小于1 5 0 米的普通钢、混三级二次强度破坏准则c a l t r a n s ( 1 9 9 9 )凝土和箱梁桥设计( 弹塑性阶段)新西兰规范n z钢、钢筋混凝土梁和预应力混三级二次理论强度可靠强度c o d e ( 1 9 9 4 )凝土粱桥设计超强度由桥墩或桥台的弯曲来抵抗水欧洲规范平地震作用的桥梁抗震设计，e u r o c o d ep a r t 8也即是竖向支撑系统的桥梁抗延性抗震强度破坏验算( 1 9 9 4 )震设计。对跨径没有限制，但设计及位移控制不包括悬索桥日本道路示方书v适用于跨径2 0 0 m 以下的桥梁三级二次强度破坏准则( 弹性阶段) 延性破坏准则耐震设计篇( 1 9 9 6 1设计( 弹塑性阶段)跨径不超过1 5 0 m 的钢筋混凝中国公路工程抗震设土和预应力混凝土粱式桥、圬计规- 范( j t j 0 0 4 8 9 )工或钢筋混凝土拱桥的抗震设一次设计强度验算计i 、i i 、i 级铁路或i 、l i 、中国铁路工程抗震设i i i 级工企铁路上，液化土及软土地基上的特大桥、大中桥的一次设计计规范( g b j ll l 一8 7 )石砌、混凝土、钢筋混凝土墩台响应分析时还应考虑相位差的影响，行波波速、多点激励和不同地震动输入等对不同桥梁的影响程度是不同的。文献 2 4 对三门峡黄河公路大桥抗震分析的计算表明，对于主桥的水平地震力，反应谱法可给出较合理的结果，行波效应及桩一土一结构相互作用使主桥的动位移和内力增长显著。近些年来刚构的延性抗震设计成为热点，以范立础院士为核心的研究组“”叫2 7 1 根据两级水平的抗震设计方法和能力设计思想，发展了大跨径桥梁抗震设计方法( 图1 2 1 ) ，对抗震的基本原则、一般规定、地震作用的计算、分析方法、设计规定进行了详细的阐述，并对公路桥梁抗震新规范提出了建议“”。”3 。在国外，m i k i ，t 3 提出了用三维格子法对高架连续刚构桥进行非线性的地震响应计算方法，并与实际地震时发生的破坏形态对比分析。日本的y o s h i z a w a ，t s u t o m u 专家研究了具有钢箱梁连续刚构桥的地震弹塑性响应，并提出了弹塑性地震响应的三种建模方法。“，u s a m i t s u t o m u 等进而研究了采用薄壁钢构件桥墩的连续刚构桥的抗震设计问题。“。h a m a m o t o ，t o m o h i s a 等对基于地震损伤和耗能墩柱的连续刚构桥进行极限承载能力分析。o t s u k a ，h i s a n o r i 在研究具有双桥面系统的连续刚构进行三维时程分析时发现这类结构在横向地震荷载下容易倾覆，并建议对此类桥梁作减震装置【。崮1 2 1 大跨径桥梁抗震设计流程1 2 2 高墩的抗震问题对高墩的抗震研究主要集中在计算方法、非线性、延性及试验等方面。如文献 3 9 4 0 对高墩的连续梁及连续刚构桥的空间地震响应进行分析，文献 4 1 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。文献 4 2 利用a n s y s 分析软件对小浪底水利工程中南村黄河大桥高墩进行抗震了分析研究了墩顶活动支座摩擦、基础弹簧约束对地震反应的影响。在计算方法方面，文献 4 3 针对梁桥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( 从而调整各桥墩或上部结构的自振特性) 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。在非线性方面，文献 4 4 4 5 对考虑高墩的p 一效应的研究结果表明：当墩高小于2 0 米时并取一个振型计算时，可不考虑p 一效应，当取两个以上振型计算时，则应考虑p 一效应；墩高在2 0 米以上时，应取两个以上振型计算，并应考虑p 效应。文献 4 5 对设置板式橡胶支座的高桥墩的非线性也进行过分析研究。在高墩的延性性能方面，同济大学袁万城教授“7 对城市桥梁中单、双柱式桥墩的延性性能进行了比较，结果表明，单柱式桥墩的墩顶位移要大于双柱式桥墩，当竖向地震响应较大和对位移控制较严时，这是不利的。对于坚硬场地土情况，双柱式桥墩的动力弯矩响应比单柱式要大，但在场地土较弱时，两者的差异则与输入的地震波有一定的关系。在国外，h e w e s ”通过对预制预应力桥墩和普通钢筋混凝土桥墩抗震性能对比分析后，认为预制节段施工的混凝土桥墩比传统的钢筋混凝土桥墩有着更好的延性性能，在相同情况下损伤更小。关于梁桥高墩的减隔震也有相关报道“。在试验方面，同济大学叶爱君啪1 设计了高墩模型，采用桥址人工波和e l c e n t r o 波进行了模拟地震振动台试验，研究了高墩的抗震性能和抗震能力，分析了高墩的墩项位移响应，并与理论分析结果进往了比较。中南大学戴公连教授“”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非线性分析。文献 5 2 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。1 2 3 曲线桥的抗震问题对于曲线桥在恒载和活载作用下的静力特性，国内外已经进行了广泛深入的研究，形成了较为有效的计算方法。对于曲线桥的动力特性，特别是对其地震响应特性的研究则显得比较少。在1 9 7 1 年的s a nf e m a n d o 地震中，一座曲线桥发生了坍塌，1 9 7 9 年有关这座桥坍塌原因的振动台模型实验结果及有限元理论分析结果公开发表脚“，文中重点研究了伸缩缝对曲线桥地震响应的影响，建立了能考虑碰撞、屈服的伸缩缝力学模型。1 9 8 8 年，a b d e l s a l a m 。”等对曲线钢箱梁桥输入e 1 c e n t r o 地震波，用有限元方法计算了其地震响应，比较了反应谱法和动力时程法的结果，计算时上、下部结构均用普通三维直梁单元模拟。m a n e e t e s ，h ”1 对美国联邦公路局及弗吉利亚州交通运输中心的曲线梁的动力参数用有限元进行分析，得到影响曲线梁动力性质的横向支撑参数。t a y s “7 1 以获得最大基频或者最小截面积为目标函数，利用有限条法对箱形直、弯桥进行了优化设计。文献 5 8 - - 6 0 1 对“i ”形截面弯梁桥的动力及地震特性进行了分析。在国内，文献 6 1 利用时程分析方法对铁路曲线连续梁桥和曲线连续刚构桥地震响应进行了分析，考虑了一维地震动和多维地震动输入以及地震动输入方向对曲线梁桥地震响应的影响，比较了连续刚构桥和连续梁桥在抗震力学上的特点及构造，研究结果表明，铁路曲线连续刚构桥的最不利截面为固结桥墩的墩底截面和墩顶梁截面：在曲线梁桥地震响应分析时可像直线梁桥地震响应分析一样，地震动可沿顺桥向和横桥向分别输入地震动，得到各构件的地震响应的最大值。文献 6 2 1对南昆铁路板其二号桥进行了地震反应谱分析。兰州铁道学院朱东生等“3 1 对一座七跨曲线连续梁桥的地震响应进行了研究，讨论了曲率半径、墩与主梁之问不同联结方式等因素对曲线桥地震响应的影响，比较了水平地震动单向输入与双向输入时其地震响应的差别，研究了用反应谱法计算曲线桥地震响应时的精度、计算中需选取的振型数及最大值的组合方法。文献 6 4 】用有限元程序对某刚构一连续组合曲线梁桥的结构动力特性进行分析，并用反应谱法对该桥的地震响应进行计算和讨论，结果表明该类桥梁地震力的组合控制下部结构的设计，不控制上部结构设计；在结构的模态分析中，主梁将先发生横弯，土体厚度和曲率半径对刚构一连续组合曲线梁桥结构的动力特性均有较大的影响；随着结构曲率半径的改变，结构的振型会发生顺序变化，且横弯对地震响应的贡献也将发生变化。在有限元计算方面，一些研究表明，无论是用普通直梁单元还是用复杂的曲梁单元及实体单元模拟上部结构“，得到的曲线桥的地震响应结果很接近。1 2 4 地震波的输入问题叫7 6 1目前，确定地震波的方法有：( 1 ) 对实际地震波进行简单调整( 比例调整法)( 2 ) 对实际地震波进行综合调整( 综合调整法) ( 3 ) 按三角级数法合成人工地震波( 不考虑相位角分布特征) ；( 4 ) 按三角级数法合成人工地震波( 考虑相位角分布特征) ( 5 ) 根据基岩反应谱合成人工地震波。一般的做法是选择类似场地上的实际地震波，根据期望的加速度峰值和实际地震波的峰值简单按比例调整，如果需要，对实际地震波的频谱成分也可简单调整。在对一般工程进行抗震时程分析时，可选择实际地震波进行综合调整，或者根据相位差谱的分布特征，用三角级数法合成地震波。在对重大工程和重要城市的结构作抗震分析时，应考虑局部桥梁地震响应分析中输入地震波的确定场地条件，按照基岩反应谱合成人工地震波，从而确定输入地震波1 。西南交通大学申爱国教授“”对大跨径桥梁抗震分析中的人工地震进行了分析，综合建筑结构抗震规范和公路工程、铁路工程抗震规范给出了大震、中震、小震的反应谱参数，并提出了人工合成地震波的步骤。曲线桥地震输入时，首先要假定地震波的输入方向，地震沿不同的方向输入时，结构中产生的地震效应是不同的，只有在某特定的地震波输入方向上，结构物的某点或某截面的某一应力或者内力才达到极值。规则桥梁有两个比较明确的主方向，即顺桥方向和横桥方向，在其抗震分析时，一般沿这两个方向分别输入地震反应谱或者地震波计算，就可满足工程设计需要，对于平面形状复杂的不规则桥梁，结构没有明确的主方向。此时，地震反应谱或者地震波沿哪个方向输入，可以得到有关构件的最大地震响应，成了设计者所关心的问题。目前，已经有很多学者进行了相关方面的探讨：文献 6 8 对复杂结构的弹性地震响应分析时提出只要任取两个不同的地震输入方向，仅增加较少的计算工作量，即可得到结构中任一点或截面上的最大应力或内力。朱东生等编写了程序，对各种桥梁只需要选择任意两个不重合的方向输入地震反应谱，便可以得到地震沿最不利方向作用时结构中任一点或任一截面上的最大地震响应”1 。文献 7 0 应用弹性反应谱法确定了最不利