（市政工程专业论文）V型墩大跨长联连续刚构桥地震反应分析.pdf

v 型墩大跨长联连续刚构桥地震反应分析 摘要 近年来，全球地震频繁发生，而桥梁作为生命线工程，一旦在地震中发生 破坏将会给人们的生命和财产造成巨大的损失。v 型墩大跨长联连续刚构桥是 广泛应用的桥型之一，对其抗震性能进行深入的研究分析是确保其良好安全性 的重要内容。论文在简述地震反应分析的基本理论的基础上，以浙江省淳安县 千岛湖大桥为工程实例，研究了长9 1 5 m 一联七跨v 型墩连续刚构桥梁的地震 响应问题。运用有限元方法进行了v 型墩大跨长联连续刚构桥模态分析、反应 谱分析、时程分析。在进行地震反应分析中，考虑了桩土相互作用、动水作用 等因素对结构内力和位移反应的影响。论文主要研究内容包括：详细阐述了动 水作用、桩土相互作用的理论基础，对其在m i d a s c i v i l 中的具体模拟做了详细 探讨，建立完整的桥梁计算模型；分析了桩土相互作用对桥梁动力特性的影响； 根据高桩大部淹没在水中的特点，分析动水作用对桥梁动力特性及桥梁地震反 应的影响；考虑竖向地震与水平地震组合输入，进行大桥的地震反应分析；选 取典型的过去强震记录对大桥进行时程响应分析；综合了反应谱分析与时程响 应分析的计算结果，得出一些初步结论。通过对千岛湖大桥的较为全面的地震 反应分析，得到的成果可以为v 型墩大跨长联连续刚构桥的抗震设计提供参考。 关键词：连续刚构地震动水作用桩土相互作用 t h es e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fal o n gs p a n c o n t i n u o u sr i g i df r a m e b r i d g ew i t hv p i e r s a b s t r a c t i nr e c e n td e c a d e s ，e a r t h q u a k ed i s a s t e r sf r e q u e n t l yo c c u r ra l lo v e rt h ew o r l d a n do n c ed e s t r o y e d ，b r i d g e ，a sl i f e l i n ee n g i n e e r i n g ，w i l lb r i n gg r e a td a m a g et ot h el i v e s a n dp r o p e r t i e so fp e o p l e b e c a u s et h el o n gs p a nc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ew i t h vp i e r si so n eo ft h em o s te x t e n s i v eb r i d g e s ，t h ei n d e e pa n a l y s e so fs e i s m i cr e i s t a n c e p e r f o r m a n c eo ft h eb e i d g ee n s u r ee f f i c i e n t l yi t ss a f l y b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo ft h e s e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e sp r o b l e mo ft h es e i s m i cr e s p o n s eo fa l o n gs p a nc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ew i t hvp i e r s ，a n dt a k e sq i a o d a ol a k e b r i d g e a9 15 ml e n g t hc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ew i t hv p i e r so fo n eu i n tw i t h s e v e ns p a n s - i nc h u n a nc o u n t yo fz h e j i a n gp r o v i n c ea sa ne x a m p l e i nt h i st h e s i s ， t h em a i n a n a l y s e s i n c l u d em o d e l a n a l y s i s ，r e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i s a n d t i m e h i s t o r ya n a l y s i so ft h eb r i d g eb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h es e i s m i ca n a l y s i s i n c l u d e sw a t e rd y n a m i c i s ，p i l s o i li n t e r a c t i o n ，a n do t h e rf a c t o r so ns e i s m i cr e s p o n s eo ft h e b r i d g e t h i st h e s i si n c l u d e st h em a i nw o r ka sf o l l o w i n g i te l a b o r a t e st h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n so ft h ew a t e r d y n a m i c e f f e c t sa n d p i l e - s o i l i n t e r a c t i o n s p a r t i c u l a r l y ，s t u d i e st h ei n p u tw a yo ft h e s ee f f e c t si nm i d a s c i v i lp r o g r a m ，a n d e s t a b l i s h e sac o m p l e t ec a l c u l a t i o nm o d e lo ft h eb r i d g ei nm i d a s c i v i lp r o g r a m i t a n a l y z e sp i l e s o i l i n t e r a c t i o n si n f l u e n s i o no n d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h e b r i d g e a n da c c o r d i n gt o c h a r a c t e r so fh i g hp i l e sm o s ts u b m e r g e di nw a t e r , t h i st h e s i s d i s c u s s e sw a t e rd y n a m i ce f f e c t so nd 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 e so f t h eb r i d g e 。i td e s c r i b e st h es e i s m i cr e s p o n s e so ft h eb r i d g e ，u n d e rc o n s i d e r a t i o no ft h e s e i s m i cc o m b i n a t i o no fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a le a r t h q u a k e s m o r e o v e r , a f t e rs e l e c t e sa t y p i c a l r e c o r do ft h e p a s te a r t h q u a k e ，t h i st h e s i s d ot h et i m e - h i s t o r ya n a l y s i s ，a n d c o m b i n et h er e s u l t so ft h et i m e - h i s t o r ya n a l y s i sw i t ht h eo u t c o m e so ft h er e s p o n s e s p e c t r u ma n a l y s i st og e ts o m ep r e l i m i n a r yc o n c l u s i o n s t h ec o n c l u s i o n s ，w h i c ha r e f r o mc o m p r e h e n s i v ea n a l y s e so ft h es e i s m i cr e s p o n s eo fq i a n d a ol a k eb r i d g e ，c a n b er e f e r e n c e dt ot h es e i s m i cr e i s t a n c ed e s i g no ft h el o n gs p a nc o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g ew i t hv p i e r s 。 k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e ；e a r t h q u a k e ； w a t e rd y n a m i ce f f e c t ； p i i e s o i li n t e r a c t i o n ； i i 插图清单 图卜1桥梁落梁2 图卜2柱墩剪断2 图卜3v 型墩连续刚构桥9 图3 1由地震记录计算得到的标准化反应谱1 2 图3 - 2同一场地不同地震的反应谱2 2 图3 - 3响应谱2 2 图3 - 4大质量法简化激励模型2 4 图5 - i千岛湖大桥全貌4 6 图5 - 2 主桥立面4 7 图5 - 3 箱梁根部及跨中截面4 7 图5 - 4v 型墩斜腿及墩座组成4 8 图5 - 5钢管混凝土桩结构示意4 8 图5 - 6 计算模型a 4 9 图5 - 7 计算模型b 4 9 图5 - 8 计算模型c 5 0 图5 9 计算模型d 5 0 图5 1 0计算圆端形与矩形组合截面扫5 2 图5 1 1计算k 值时桩基示意图5 2 图5 - 1 2梅花形示意图5 2 图5 - i3单桩宽度计算示意图5 2 图5 一1 4土弹簧输入界面5 3 图5 15节点附加质量输入界面5 3 图5 16模型a 前1 0 阶振型5 8 图5 - 17模型d 前1 0 阶振型6 1 图6 1反应谱参数输入界面6 3 图6 - 2设计反应谱函数6 4 图6 - 34 号墩位各主要截面编号6 5 图6 - 44 号墩位下钢管混凝土桩编号6 5 图6 - 5各计算模型主梁4 5 跨中截面轴力对比7 2 图6 - 6各计算模型主梁4 5 跨中截面尬对比7 2 图6 - 7各计算模型主梁4 5 跨中截面必对比7 2 图6 - 8各计算模型主梁4 - 5 跨中截面仇对比7 2 v i i 图6 - 9 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 - 13 图6 1 4 图6 1 5 图6 16 图6 1 7 图6 1 8 图6 - 1 9 图6 2 0 图6 2 l 图6 2 2 图6 2 3 图6 2 4 图6 - 2 5 图6 - 2 6 图6 - 2 7 图6 - 2 8 图7 1 图7 - 2 图7 - 3 图7 - 4 图7 - 5 图7 - 6 图7 - 7 图7 - 8 图7 - 9 图7 10 图7 - 11 图7 1 2 图7 - 13 各计算模型主梁4 5 跨中截面矾对比7 2 各计算模型主梁4 5 跨中截面d ：对比7 2 各计算模型l 截面轴力对比7 3 各计算模型1 截面眠对比7 3 各计算模型1 截面尥对比7 3 各计算模型1 截面仇对比7 3 各计算模型1 截面d 。对比7 3 各计算模型1 截面优对比7 3 各计算模型5 截面轴力对比7 3 各计算模型5 截面眠对比7 3 各计算模型5 截面尥对比7 4 各计算模型5 截面仇对比7 4 各计算模型5 截面d 。对比7 4 各计算模型5 截面d ：对比7 4 各计算模型桩4 1 桩底截面轴力对比7 4 各计算模型桩4 1 桩底截面眠对比7 4 各计算模型桩4 1 桩底截面必对比7 4 各计算模型桩4 1 桩顶截面仇对比7 4 各计算模型桩4 1 桩顶截面d 。对比7 5 各计算模型桩4 1 桩顶截面d ：对比7 5 e i c e n t r o 南北向的地震波加速度时程记录7 8 调整后的地震波加速度时程记录7 9 工况一桩4 一l 桩底轴力时程7 9 工况一桩4 1 桩底弯矩眠时程7 9 工况一桩4 1 桩底弯矩必时程8 0 工况一主梁跨中弯矩时程8 0 工况一主梁跨中弯矩必时程8 0 工况一主梁跨中位移仇时程8 0 工况一主梁跨中位移d 。时程8 1 工况一主梁跨中位移d ：时程8 1 反应谱分析与时程分析4 5 跨中截面纵向位移玖对比8 4 反应谱分析与时程分析4 5 跨中截面横向位移d ，对比8 4 反应谱分析与时程分析4 - 5 跨中截面竖向位移见对比8 4 v i i i 表l 一1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 - 6 表5 1 表5 2 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表6 5 表6 6 表6 7 表6 8 表6 - 9 表6 1o 表6 1 1 表7 1 表7 2 表7 3 表格清单 近半世纪大地震经济损失1 地震动合成形状参数取值表( 蒋傅) 3 9 地震动合成形状参数取值表( 陈永祈) 4 0 场地土动力参数：4 1 地震动合成形状参数取值表4 3 相位差谱的数字特征4 4 相应与地震烈度和场地土类别的平稳持时4 5 深水高桩桩基础节点附加质量5 3 四个计算模型的前2 0 阶振型频率5 4 生成设计反应谱重要参数6 3 各计算模型4 5 跨中截面内力计算结果6 5 各计算模型4 - 5 跨中截面位移计算结果6 6 计算模型a 4 号墩位各主要截面内力计算结果6 6 计算模型a 4 号墩位各主要截面位移计算结果6 6 计算模型b 4 号墩位各主要截面内力计算结果6 7 计算模型b 4 号墩位各主要截面位移计算结果6 8 计算模型c 4 号墩位各主要截面内力计算结果6 8 计算模型c 4 号墩位各主要截面位移计算结果7 0 计算模型d 4 号墩位各主要截面内力计算结果7 0 计算模型d 4 号墩位各主要截面位移计算结果7 1 4 - 5 跨中截面内力最大值81 4 号墩位各主要截面内力最大值81 反应谱法与时程响应分析法内力计算结果对比8 3 i x 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， 也不包含为获得金胆王业厶堂 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。 学位论文作者签字丑参签字吼叫年眵月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴些太堂有关保留、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。本人授权盒月巴王些太 ! l 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) 学位论文者签名： 、二 、；坪 孔1 7 导师签名： 菇勿丈 签字日期：力门7 年妒月，f 日签字日期：。( 年甲月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话：f ；锣工易夕89 ；妒易 邮编： 致谢 本论文是在我尊敬的导师蔡敏教授的悉心指导下完成的。导师以其严谨的 治学风格、渊博的知识、丰富的工程实践经验、宽广坦荡的胸襟、诲人不倦的 作风、平易近人的态度将令作者终生受益。值此硕士论文完成之际，谨向恩师 致以崇高的敬意和衷心的感谢! 论文期间，安徽交通职业技术学院肖玉德副教授给予了作者很多指点、关 心和鼓励：读研期间，肖玉德副教授给作者提供了很多工程实践的机会，进一 步丰富和提高了作者的水平。作者在此谨向肖玉德副教授致以最诚挚的谢意。 感谢中国建筑科学研究院的韩继云研究员、费必刚博士、孙彬博士、迟冰 硕士在我实习期间给予的关心和帮助，他们严谨治学、锐意进取、踏实勤奋的 工作态度令作者感到由衷的敬佩。在此，作者谨向他们致以深深的谢意。 感谢倪宝艳、钱玮等师姐、师兄在学习和生活上给予很多的帮助，感谢金 晶、秦鹏、刘冬平、谢玮等同学在读研期间给予的关心和照顾，祝愿你们工作 顺利、前程似锦! 在十余年的求学生涯中，父母的关怀和鼓励是我克服困难、迎接挑战的巨 大动力，值此机会，衷心感谢父母的养育之恩、培养之恩。感谢和我共同努力 拼搏的同学和女友一一张卉，我们同舟共济的求学经历将是我一生最难忘的时 光。 感谢曾经给予我教导、支持和帮助的所有老师、亲人、同学和朋友们，并 感谢评阅、评议本文和出席论文答辩的各位专家、教授在百忙之中给予的指导! i i i 作者：吴彦 2 0 0 9 年2 月6 日 第一章绪论 1 1 地震及震害 地震是与地球构造运动密切相关的一种自然现象，它是伴随着地壳能量的 释放而引起的地球表面的振动甚至强烈的运动。地壳板块的运动、火山爆发、 地壳中空穴顶板的陷落及一些人为原因等均有可能引起地震，全世界每年发生 的地震约有1 5 x1 0 。7 次，其中绝大多数地震由于发生在地球深处或其释放的能 量较小而不为人们所察觉，人们能察觉到的地震即有感地震，约占地震总数的 1 左右，造成灾害的强烈地震则为数更少，平均每年发生十多次。 虽然强烈地震发生的几率较低，但是由于其释放的能量巨大，会给人类的 生命财产造成极大的危害。特别是近代以来，随着社会经济的发展，人口逐渐 聚集于城市，历史上世界多次破坏性地震都集中在城市，给这些城市造成了严 重或毁灭性的破坏，表卜1 所示为近半世纪大地震所造成的经济损失。 表卜1近半世纪大地震经济损失 强烈地震造成如此重大的经济损失，其原因不仅仅因为强烈地震本身强大 的破坏力，还由于在地震过程中许多生命线工程设施遭受了严重破坏，间接的 给人类社会带来了更大的灾难。生命线工程是指诸如供水( 油、气) 管网、电 力设施、电信传输网、交通运输网等工程设施【2 j 。桥梁作为交通运输网中重要 的基础设施，尤其是重要干线上的大型桥梁，更是具有枢纽的作用，一旦在地 震中发生破坏，将造成交通生命线的中断，严重影响灾区震后救援和重建工作， 加重了次生灾害，从而导致巨大的经济损失。 1 2 桥梁结构的震害 调查与分析桥梁的震害及其产生的原因是建立正确的抗震设计方法、采取 有效抗震措施的科学依据【3 】。各次地震中桥梁震害调查结果显示：在地震作用 下，桥梁结构大多发生毁坏和严重破坏。如文献 3 所述：我国在19 7 5 年的海城 地震中6 1 8 座桥梁( 铁路桥18 2 座，公路桥4 3 6 座) 中l9 3 座遭到不同程度的损坏 ( 铁路桥5 5 座，公路桥13 8 座) ，占3 1 2 ，其中有1 6 座桥梁严重损坏，无法继 续使用。在1 9 7 6 年唐山地震中，对京山、通坨、津蓟及南堡专用线的统计，遭 受震害的铁路桥占总数的3 93 ，其中严重破坏的占4 5 。唐山地区公路桥遭 受不同程度破坏的占桥梁总数的6 2 ，严重毁坏、倒塌的大、中型桥粱有2 0 座， 占1 3 ；天津地区遭受中等以上破坏的公路桥梁占总数的2 1 ，严重毁坏的大、 中型桥梁有i o 座。 近3 0 余年发生的几次大地震使桥梁结构遭受的严重破坏，使我们获得了非 常絮贵的经验和教训p 】。国内外学者对桥梁震害的调查研究结果表明，桥梁的 震害主要表现为： l 上部结构的破坏：桥梁上部结构本身遭受震害而被毁坏的情形比较少 见，往往是由于桥粱上部结构在纵向、横向或转动方向上发生较大位移而导致 上部结构的破坏，一般来说，易发生在设置伸缩缝的地方。这种震害的具体表 现形式之一是粱间开脱、错位和顶撞；另一种表现形式是大位移使上部结构超 出了墩、台的支承面而导致落梁。资料统计表明，地震中出现纵向落梁的几率 远大于横向落梁，它占全部落粱状况总数的8 0 9 0 ，纵向落梁时，粱端掩 击桥墩侧壁，这种冲击会对下部结构造成很大影响，甚至会造成墩身等下部结 构严重破坏【4 1 如图1 一l 所示，地震中桥梁出现纵向落粱。 2 点承连接部位的震害：桥粱支承连接部位的震害极为常见，由于支承连 接部位的破坏会引起力的传递方式的变化，从而对结构其它部位的抗震产生影 响，进一步加重震害。支座破坏形式主要有支座位移、锚同螺栓拔出、剪断， 滑动支座脱落等。在我国海城、唐地震中，就有不少支座破坏以及连接措施 不当引起落粱的例子1 4 】。 3 下部结构及基础的震害：下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌， 并在震后难以修复使用的主要原因。除了地基毁害的情况，桥梁垮台和基础的 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。从大量震害实例来看，比较高柔的桥墩多为弯曲型破坏，矮粗的桥 墩多为剪切型，介于两者之间的多为混合型。在1 9 9 5 年的阪神地震中，阪神高 速线在神户市内的高架桥共有1 8 个独柱墩剪断，长5 0 0 米左有的粱侧向倾倒口l ， 如图卜2 所示。 囤l 一1 桥梁落粱 图卜2 柱墩剪断 4 桥梁附属结构及构件的震害：对于抗震性能较好的大跨度柔性体系桥梁 在最近的几次大地震中也有不少遭受震害的实例，主要表现为边跨脱落、支承 系统以及细部结构的破坏。在1 9 8 9 年美国l o m ap r i e t a 地震中，奥克兰海湾大桥 引桥公路桥面脱落。在1 9 9 5 年阪神地震中，位于震区的四座大跨度桥梁也发生 了不同程度的震害。其中，西宫港大桥( 主跨2 5 2 m 的钢系杆拱桥) 第一跨引桥 脱落，一座主跨4 8 5 m 双层桥面斜拉桥边跨锚墩上的钢摇轴栓钉脱落，另一座主 跨2 1 4 m 的钢拱桥发生铸钢支座移位损坏和拱上风撑屈曲破坏1 5j 。 最近十年来，通过对桥梁震害的进一步分析，可以将桥梁震害的起因基本 归结为结构设计和构造两方面的缺陷，并可总结归纳为以下几类： 1 支承连接件失效 在地震中，如果支承连接件不能承受上、下部结构的相对位移，支承连接 件就有可能失效。由于支承连接件失效，上部结构和下部结构之间将产生更大 的相对位移，如果没有受到其他约束，上部结构就可能与下部结构脱开，并导 致梁体坠毁。由于落梁的强烈冲击力，下部结构也将遭受严重的破坏【6 j 。 2 下部结构失效 主要指桥墩和桥台失效。如果下部结构不能抵抗其自身的惯性力和有支座 传递的上部结构的地震力，墩和台就有会开裂甚至折断。由于墩台失效，其支 承的上部结构也将遭受严重的破坏【6 j 。 3 软弱地基失效 如果下部结构周围的地基易受地震振动而变弱的话，下部结构就可能发生 沉降及水平位移【6 】。对于建造于松散饱和砂土层的基础，由于砂土液化，地基 下沉，岸坡滑移或开裂将引起基础的破坏，从而导致桥梁的倒塌【5 j 。 1 3 桥梁震害教训及启示 总结桥梁震害教训，尤其是最近十年来的桥梁震害教训，得到以下一些重 要的结论【7 j ： 1 桥梁抗震设防应采用性能设计原则。即在考虑工程造价、结构遭遇地震 作用水平、紧急情况下维持交通能力的必要性以及结构的耐久性和修复费用等 因素下，定义桥梁的重要性及其允许的损坏程度( 性能) 。 2 桥梁抗震设计应同时考虑强度和延性，尤其注重提高桥梁结构整体和钢 筋混凝土桥墩的延性能力。 3 重视采用减隔震的设计技术，以提高桥梁的抗震性能。 4 对复杂桥梁( 如斜弯桥、高墩桥梁或墩刚度变化很大的桥梁) ，强调进行 空间动力时程分析的必要性。 5 重视桥梁支座的作用及其设计，同时开发更有效的防治落梁装置。 上面总结的桥梁震害教训，对当前我国的桥梁抗震设计和研究有很大的启 示作用：要重视桥梁结构动力概念设计和研究，选择较理想的抗震结构体系： 要重视延性抗震的研究，用能力设计思想进行抗震设计；要重视支承连接部位 的设计和研究；要重视采用减隔震措施提高结构的抗震能力1 5 。 1 4 v 型墩连续刚构桥的发展 连续刚构桥是将连续的粱体与桥墩固结而形成的，其粱体受力接近于联系 粱，利用桥墩的柔度来适应由预应力、混凝土收缩徐变、和温度变化引起的纵 向位移。作为混凝土连续刚构桥的一种结构类型，v 型墩连续刚构桥是在t 型 刚构体系设计中不断与连续粱体系的优点相结合所产生的一种新的结构体系。 我国从2 0 世纪8 0 年代首次引进v 型墩连续刚构桥，在短短的2 0 多年里这种桥型 得到了e 速的发展，其中台湾忠孝挢( 1 9 8 1 年) 、广西桂林雉山漓江桥( 1 9 8 7 年) 是我国1 p 期v 型墩连续刚构桥的典范。由于v 型墩连续刚构桥轻巧美观、受 力合理，经常运用于我国的城市立交桥梁和公路、铁路跨线桥梁中。在多项工 程实践中我们可以看出v 型墩连续刚构桥具有以下优点： l 优化了桥型设计，使桥梁造型更加新颖、轻巧、美观，见图卜3 。 k 。圈 圉1 3v 型墩连续剐构桥 2 结构受力合理，v 型墩连续刚构桥具有连续粱和斜腿刚架的受力特性， 与相同跨径的连续梁桥相比，缩短了计算跨径、降低了粱高；与墩梁固结的连 续粱相比，减少了跨中和支点部位的弯矩”。因此，v 型墩连续刚构桥可以节省 上部结构工程数量及减轻上部结构重量，而上部结构减轻的使下部结构轻型化， 降低了工程造价。 最近几年，随着v 型墩连续剐构桥设计技术和施工工艺的日益成熟，我国 的太跨度桥梁建设也选择v 型墩连续刚构桥。如正在建设的广州黄洲大桥，主 桥跨径5 7 0 m ( 7 0 + l3 5 + 1 8 0 + 1 3 5 + 7 0 ) ，远远长于同类桥梁中主跨径为8 0 m 左 右的长度。 15 v 型墩连续刚构桥抗震研究的现状及相关问题 15i v 型墩连续刚构桥地震反应研究现状 目前，有关v 型墩连续刚构桥地震反应分析研究方面的工作并不很多，对 其相关的抗震特性均未作深入的研究。目前此类桥梁的抗震设计均参考相同跨 径的t 型连续刚构桥，但由于t 型连续刚构桥和v 型墩连续刚构桥的空间受力的 差异，两种桥型下部桥墩不同的支承形式和结构形式导致它们的刚度相差很大， 因此v 型墩连续刚构桥的地震反应和破坏形式不同于t 型连续刚构桥。这些都为 v 型墩连续刚构桥抗震设计带来了一定的难度。而目前v 型墩连续刚构桥广泛应 用于城市高架桥梁、市政公路桥梁、跨线桥梁及一些大跨度桥梁。因此这些桥 梁是城市交通路网和公路、铁路干线的重要枢纽，是交通生命线工程中的“咽 喉”，所以我们必须重视v 型墩桥梁的抗震性能研究，从而为今后此类桥梁的抗 震设计提供科学依据和有效手段。 1 5 2 v 型墩连续刚构桥地震反应分析的相关问题 1 5 2 1 地震动输入问题 地震动输入是进行结构地震反应分析的依据，对结构地震反应的影响很大。 结构的地震反应破坏与否，除和结构的动力特性、弹塑性变形性质、变形能力 有关外，还和地震的特性( 幅值、频谱特性和持续时间) 密切相关i l 0 1 。 地震地面运动在时间和空间上都具有高度的变化性，在一般的结构地震反 应分析中，往往只考虑它们的时间变化性，而不考虑它们空间的变化性。因此 在结构地震反应中，通常都假定各支承点的地面运动是相同的。然而，桥梁的 各支承点可能位于显著不同的场地上，由此导致各支承处输入地震波的不同， 在地震反应分析中就要考虑多支承不同激励，简称多点激励。即使场地土情况 变化不大，也可能因地震波沿桥纵轴向先后到达的时间差，引起各支承处输入 地震波的相位差，简称行波效应【3 】【儿j 。 国内外许多学者对大跨度桥梁在多点激励下地震反应的研究结构表明：大 跨度桥梁的多点激励和行波效应问题十分复杂，对不同类型的桥梁可能会得到 完全不同的结构。但有一点是肯定的，即大跨度桥梁多要进行多点激励和行波 效应分析。 1 5 2 2 非线性问题 在地震反应分析中，必须谨慎考虑非线性问题。桥梁的非线性因素主要有 几何非线性、材料的非线性和支承连接条件的非线性。 1 几何非线性 v 型墩连续刚构桥的几何非线性主要来自梁柱效应，即梁柱单元轴向变形 和弯曲变形的耦合作用，一般引入几何刚度矩阵来模拟，只考虑轴力对弯曲刚 度的影响。一般来说，当进行桥梁地震反应分析考虑几何非线性时，应以恒载 下的非线性静力分析为基础，在恒载变形状态下( 此时结构已具有较大的刚度) 进行地震反应分析【1 2 】【14 1 。 2 材料的非线性 在强烈地震下，梁式桥的桥墩，斜拉桥的桥塔，拱桥的拱上结构与拱肋， 桁架拱的各个构件等等都进入塑性工作阶段。因此，就要在地震反应分析中合 理、正确的模拟钢筋混凝土墩柱，斜拉桥的桥塔，拱桥的拱上结构与拱肋，桁 架拱的各个构件等等的弹塑性性能1 3 儿1 3 j 。 3 支承连接条件的非线性 桥梁支承连接条件的变化，对其动力特性、内力和位移反应均有较大的影 响。严格的说，桥梁中采用的各种橡胶支座、抗震支座以及各种限位装置( 如 各种挡块) 等，都是非线性的。实际上，各种支承的可活动方向与约束性是很 复杂的，很难进行准确的模拟。在工程应用中，对支承条件的非线性特性大多 采用较简单的恢复力模型来表达。在有限元分析中，这种支承都采用一种或几 种实用的非线性单元根据各自的恢复力特性建立刚度矩阵，迭加入结构的总刚 度中进行分析【l4 。 1 5 2 3 阻尼问题 阻尼是结构的一个重要动力特性，也是结构地震反应中最为重要的参数之 一，其大小和特性直接影响结构的基本动力反应特征。由于阻尼的存在，物体 的自由振动将会逐步衰减，而不会无限延续。因此，研究桥梁结构的阻尼规律 是提高桥梁地震反应分析精确度的关键之一。 到目前为止，还没有一种被广泛接受的用来估算桥梁结构阻尼比的方法。 在桥梁结构的动力响应分析中，只能参考一些实测资料来估算阻尼比。由于目 前v 型墩连续刚构桥的实测阻尼资料很少，而且现有阻尼比实测值的分散性又 很大，因此阻尼比的估计一直是桥梁结构地震反应分析中的难点。 1 5 2 4 桩一土一结构相互作用问题 桩基础是桥梁建于软弱土层上最常用的基础形式。桩一土一结构相互作用使 结构的动力特性和地震反应发生改变，而忽略这种改变并不总是安全的。 近三、四十年来，国内外许多学者对桩一土一结构相互作用问题进行了许多 研究，发表了大量文献，其分析模型和方法主要有：质弹阻模型、w i n k l e r 模型、 连续介质力学模型、有限元和边界元法。其中质弹阻模型( 或称集中质量法) 的应用具有一定的优越性。这种将地基等价为质量一弹簧一阻尼系统的时域方法， 被工程界广泛应用，具有很大的发展潜力。 质弹阻模型( 或称集中质量法) 最初是由美国学者p e n z i e n j ( 19 6 4 ) 等为 解决泥泽地上的大桥动力分析问题而提出来的。其基本方法是将桩一地基体系按 一定的土层厚度离散成一个理想化的参数系统，用弹簧和阻尼器模拟土介质的 动力性能，形成一个地下部分的多质点体系。然后和上部结构质点体系联合建 立整体耦合的动力微分方程组进行求解0 5 。 1 5 3 桥梁地震反应分析软件【5 】 6 桥梁的地震反应分析必须借助于合适的分析软件。 目前，国内外在桥梁地震反应分析中常用的程序有：线弹性分析程序s a p 5 ( 美国b e r k e l e y 分校编制) ，非线性分析程序a d i n a ( 美国麻省理工学院 k j b a t h e 教授主编) ，n o n s a p ( 美国b e r k e l e y 分校k j b a t h e 等编制) ，n e a b s ( 美国地震研究中心w s t s e n g 等编制) 和d r a i n 2 d x ( 美国b e r k e l e y v p r a k a s h 和g h p o w e l l 编制) ，大型商业化程序a n s y s 、m s c n a s t r a n 、 a b a q u s 等。其中，s a p 5 、a d i n a 、n o n s a p 和a n s y s 都是通用程序，不能 考虑多点激励，也不能模拟桥梁结构特有的支座等支承连接条件。n e a b s 是桥 梁结构非线性地震反应分析程序，在国外应用相当广泛，但在考虑行波效应和 支座非线性等方面也存在不足。d r a i n 2 d x 是一个功能全面的通用分析程序， 具有弹塑性梁单元和非线性连接单元，也能考虑分块阻尼、多点激励等。只是 d r a i n 2 d x 只能分析平面问题，而且对于大型结构，输入数据非常麻烦。本文 采用桥梁结构有限元程序m i d a s c i v i l 对实际桥梁结构进行地震反应分析。 1 6 本文的研究意义和主要工作 1 6 1 研究意义 桥梁作为重要的社会基础设施，具有投资大、公共性强、维护管理困难的 特点。桥梁同时又是生命线工程之，是抗震减灾、危机管理系统的一个重要 组成部分。地震中桥梁设施的损害、倒塌所带来的经济损失和社会影响将会是 无法估量的。但由于桥梁的地震反应是一个非常复杂的过程，因此，深入研究 桥梁结构的动力特性，不断总结桥梁的地震反应规律，提高桥梁的抗震能力， 是我国交通土建面临的重大课题。 本文的研究对象是一座大跨度v 型墩连续刚构桥浙江杭州千岛湖大 桥。由于该桥处于极其重要的地理位置( 位于国家4 a 级旅游胜地千岛湖风 景区内，并且是连接“浙江杭州一千岛湖一安徽黄山”旅游黄金线路上的咽喉) ， 该桥型在工程上也有广泛的应用，加之目前对这类桥型的地震反应研究的较少， 所以研究该桥的地震反应有一定的理论价值和工程价值。一方面，本文要通过 计算分析，研究该桥的地震反应规律。另一方面，本着抗震减灾的目的，保证 该桥的抗震安全。所以，研究该桥的地震响应在理论和实际中都是有意义、有 价值的。本文以此为契机，对该桥的地震反应进行了较深入的研究。 1 6 2 本文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 本文参阅了国内外有关桥梁抗震的文献资料，对其进行了总结和归纳， 作为本文的理论基础，包括动力有限元的原理，桥梁抗震分析的理论和方法( 反 应谱分析、动力时程分析) 以及数值方法在解决动力问题中的应用等等。 7 2 研究了桥梁结构分析通用程序m i d a s c i v i l 在桥梁抗震中的应用，包括桥 梁的模态分析、反应谱分析和瞬态分析的计算方法。 3 用m i d a s c i v i l 建立千岛湖大桥的动力计算模型。基于有限元的原理，建 立了该桥的空间模型。 4 对动力计算模型进行模态分析，计算得到该桥的振动频率和振型，即动 力特性。动力特性反映该桥在地震反应中的特点，所得到的前几阶振型对地震 反应规律的贡献最大，因此，了解动力特性对准确的把握地震响应规律有帮助。 5 在模态分析的基础上，对该桥进行了谱分析。根据已有的地质资料，按照 规范有关规定选择标准反映谱曲线，作为谱分析的曲线。对谱分析的结果进行 分析，选取抗震薄弱部位计算其截面内力。 6 对动力计算模型进行动力时程分析，选取某条符合桥址场地条件的人工 地震波计算该桥的内力时程，选取抗震薄弱部位计算其截面内力时程，并总结 了相应规律。 7 将动力模型谱反应分析和动力时程分析的结果加以分析、比较，得到该 桥的地震反应结果。结论可作为同类型桥梁抗震设计的依据，也可以作为今后 同类桥梁地震反应的一个参考。 1 7 本章小结 本章为全文的绪论部分，在此部分介绍了地震及由地震带来的巨大的经济 损失，尤其是桥梁结构在地震中的震害所导致的后果将更加严重，从而突出了 桥梁结构抗震研究的必要性和重要性。通过参阅多篇关于桥梁抗震的文献，考 虑到对最近新兴出现的v 型墩连续刚构桥的动力特性和地震反应的研究较少， 故选择了大跨度v 型墩连续刚构桥的地震反应作为本文研究的课题。通过参考 其它桥梁地震反应的研究成果，对本课题的研究提出了可行的研究方法和步骤。 第二章桥梁结构动力计算理论 2 1 引言 对桥梁地震反应进行分析研究的目的是为桥梁抗震设计提供科学依据和有 效手段。结构在地震波激励下的强迫震动是随机震动，求解结构地震反应是相 当复杂的【l6 1 。结构动力计算方法可分为解析法和数值法两类。解析法是建立在 对结构充分简化的基础之上，这种方法发展历史较长，可溯源于古典玄、杆振 动理论。从目前的公路工程抗震设计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) l l7 】来看，普通的简 支梁和拱桥的地震力计算方法仍是基于解析法。随着现代科学技术和工程建设 的发展，结构动力理论和实践得到了很大的发展，人们已经能够借助计算机对 大型复杂系统进行动力模拟研究，建立能够反映实际的动力反应分析方法。 在确定性的地震反应分析时，是把研究的桥梁结构作为一个系统，采用有 限元方法分析时，即把结构处理为若干离散单元在有限个节点处连接起来的一 个集合体；而把地面运动看成是对系统的输入，系统的输出即是地震反应。因 而在分析时，有下列三个关键问题【l 副： 1 建立桥梁结构系统的力学模型及振动方程。一般采用有限元方法将结构 离散化，确定各离散单元的力学特性，建立桥梁结构力学模型，最终建立相应 的地震振动方程。 2 选择合适的计算方法求解地震振动方程以得到地震反应。 3 选择合适的地震记录和输入模式。 因此，下面几章将从上述的三个关键问题着手，对桥梁地震反应分析的理 论进行详尽的阐述。本章将从结构动力学的基本原理出发，建立桥梁结构动力 振动方程，论述桥梁结构动力振动的计算方法。 2 2 桥梁振动的有限元分析方法 2 2 1 h a m i l t o n 原理及结构动力反应方程 动力分析的首要目的是对已知结构计算它在给定的随时间变化的荷载作用 下的位移一时间过程。描述动力位移的数学表达式称为结构的动力方程，这些方 程的解就提供了所求的位移时程。本文采用h a m i l t o n 原理来推倒单元体运动方 程。 h a m i l t o n 原理是应用广泛的一种变分原理，其原理可表达为1 1 9 1 2 0 】： f t 2 8 ( t v ) d r + t 2 册d t = 0 ( 2 1 ) 式中：r 一系统的总动能； 矿一系统的总位能，包括应变能及任何保守外力的势能； 一作用于系统上的非保守力( 包括阻尼力及任何外荷载) 所作的功； 6 一在指定时间区间内所取的变分。 9 h a m i l t o n 原理说明在任何时间区间tj 到t 2