（市政工程专业论文）高墩大跨连续刚构桥地震响应分析.pdf

高墩大跨连续刚构桥的地震响应分析 摘要 随着公路事业的发展，连续刚构桥的跨径和墩高不断刷新记录，而 目前的公路工程抗震设计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) 只适用于跨径不超过1 5 0 m ， 墩高不超过3 0 m 的桥梁，本文正是在这种背景下开展研究。首先简述了 刚构桥的特点，桥梁震害分析及高墩大跨连续刚构桥抗震研究的现状； 接着阐述了桥梁抗震的基本理论，详细介绍了反应谱法和动力时程法； 最后以金塘大桥东通航孔桥为工程背景，稍做简化后，进行了动力分析， 并考虑了行波效应对结构的影响，重点研究了桥墩高度、桥梁跨数、高 低墩相对高差这些参数的变化对高墩大跨连续刚构桥的地震响应影响。 主要得到以下结论：1 行波的输入方向对各桥墩地震响应影响很大，行 波效应对结构受力不利；2 随着墩高的增加，结构各主要控制内力均减 小，随着跨数的增加，各控制内力有减小的趋势，但规律不明显，特别 是在横桥向激励作用下；3 随着高低墩相对高差的增大，低墩内力增大， 高墩内力减小，低墩内力大于高墩内力，但高低墩墩项顺桥向最大位移 相差不大，而高墩墩顶横桥向最大位移明显大于低墩墩顶横桥向最大位 移。 关键词：高墩，大跨，连续刚构桥，地震响应 s e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fh i g hp i e ra n dl o n g s 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 e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yc a r e e r ，t h es p a na n dp i e rh e i g h to f c o n t i o u sr i g i df r a m eb r i d g eu p d a t e dr e c o r d s ，b u tt h ec u r r e n ts p e c i f i c a t i o n s o 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 ) a p p l i e s o n l yt ol o n g s p a no fn o tm o r et h a n15 0m ，p i e rh e i g h tn o te x c e e d i n g3 0 m b r i d g e ，t h ep a p e r r e s e a r c h e d j u s t o nt h i s b a c k g r o u n d f i r s t o u t l i n e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fr i g i df r a m eb r i d g e ，s e i s m i cd i s a s t e ra n a l y s i so fb r i d g ea n d p r e s e n ts t a t u so fh i g hp i e ra n dl o n g - 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 e s e a r t h q u a k e - r e s i s t a n c es t u d y ，t h e ne x p o u n d e db a s i ct h e o r yo ft h eb r i d g e 8 e a r t h q u a k e r e s i s t a n c e ，e l a b o r a t e dr e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i sa n dd y n a m i c t i m e h i s t o r ya n a l y s i sm e t h o d si nd e t a i l ，t h ef i n a ls e t t e de a s tn a v i g a b l es p a n o fj i n t a n gb r i d g ea se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，c a r r i e do u td y n a m i ca n a l y s i s a f t e rs i m p l i f i n gi t ，a n a l y z et r a v e l i n gw a v ee f f e c t st ot h eb r i d g es t r u c t u r e ，a n d r e s e a r c h e do nt h ep a r a m e t e r s e f f e c tt ot h e h i g hp i e ra n dl o n g s p a n 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 cr e s p o n s ew h e nt h e yc h a n g e d ，w h i c h i n c l u d e dp i e rh e i g h t ，m u l t i p l e s p a n ，d i f f e r e n t i a lh e i g h to fb r i d g ep i e r s d r a w t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sm a i n l y ：1 t h ed i r e c t i o nw h i c ht h e t r a v e l i n gw a v e i n p u t si na f f e c t ss e i s m i cr e s p o n s eo ft h ed if f e r e n tp i e r s ，t r a v e l i n gw a v e e f f e c ti sn o ts a f et os t r u c t u r e 2 w i t ht h ei n c r e a s eo fp i e rh e i g h t t h em a i n k e yi n t e r n a lf o r c e so fs t r u c t u r e a r er e d u c e d ，w i t ht h et h ei n c r e a s eo f m u l t i p l e s p a n ，i n t e r n a lf o r c e sh a v et h et r e n dt or e d u c e ，b u tt h el a wn o t o b v i o u s e s p e c i a l l yi nt r a n s v e r s ee a r t h q u a k em o t i v a t i o n 3 w i t ht h ei n c r e a s e o fd i f f e r e n t i a lh e i g h to fb r i d g ep i e r ，i n t e r n a lf o r c e so fl o wp i e ri n c r e a s e s ， t h a to fh i g hp i e rd e c r e a s e s ，i n t e r n a lf o r c e so fl o wp i e ri sb i gt h a nt h a to f h i g hp i e r ，t h e i rl o n g i t u d i n a lm a x i m u md i s p l a c e m e n th a s n od i f f e r e n c e n e a r l y , b u tt r a n s v e r s em a x i m u md i s p l a c e m e n to fh i g hp i e ri sl a r g et h a nt h a t o f1 0 wp i e ro b v i o u s l y k e yw o r d s ：h i g hp i e r ，l o n g - s p a n ，c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e ，s e i s m i c r e s p o n s e 插图清单 图2 1 动力学问题三要素8 图2 2 地震反应分析理论体系11 图2 3 动力放大系数1 6 图2 4 阻尼比和频率的关系( 瑞利阻尼假定) 2 3 图3 1 金塘大桥东通航孔桥连续刚构桥立面展开图2 6 图3 2 墩顶和跨中截面2 7 图3 3 双薄壁空心墩截面2 7 图3 4m i d a sc i v i l 内力输出方向及符号2 7 图3 5 全桥结构有限元模型渲染图2 8 图3 - 6 前十阶振型图2 9 图3 7 设计加速度反应谱3 0 图3 8 调整峰值后的e 卜c e n t r o 波3 1 图3 - 9 组合一下主跨跨中位移时程3 2 图3 1 0 组合二下主跨跨中位移时程3 2 图3 1l 墩底顺桥向弯矩时程3 3 图3 1 2 行波效应示意图3 3 图4 1 三种不同跨数的连续刚构桥模型3 5 图4 2 三种不同跨数的刚构桥控制截面位置3 6 图4 3 主梁顺桥向最大弯矩随墩高变化3 7 图4 4 主梁顺桥向最大弯矩随跨数变化3 7 图4 5 桥墩墩顶顺桥向最大弯矩与墩高关系3 8 图4 6 桥墩墩顶顺桥向最大弯矩与跨数关系3 8 图4 7 桥墩墩底顺桥向最大弯矩与墩高关系3 9 图4 8 桥墩墩底顺桥向最大弯矩与跨数关系4 0 图4 9 桥墩墩底顺桥向最大剪力与墩高关系4 l 图4 1 0 桥墩墩底顺桥向最大剪力与跨数关系4 1 图4 1 1 主梁横桥向最大弯矩与墩高关系4 2 图4 1 2 主梁横桥向最大弯矩与跨数关系4 2 图4 1 3 桥墩墩底横桥向最大弯矩与墩高关系4 3 图4 1 4 桥墩墩底横桥向最大弯矩与跨数关系4 4 图4 1 5 桥墩墩底最大扭矩与墩高关系4 5 图4 1 6 桥墩墩底最大扭矩与跨数关系4 5 图4 1 7 桥墩墩底横向最大剪力与墩高关系4 6 图4 1 8 桥墩墩底横桥向最大剪力与跨数关系4 6 图5 1 三种不同高低墩高差的连续刚构模型4 8 图5 2 模型三全桥有限元模型4 9 图5 3 模型一和模型三前十阶振型图5 0 图5 4 基频与高低墩高差的变化关系5 1 表格清单 表1 1 国内外著名大跨径连续刚构桥2 表1 2 国内典型高墩连续刚构桥2 表1 3 各国桥梁抗震设计规范的适用范围7 表2 1 几个强震动记录的主要特征9 表2 2 综合影响系数1 6 表3 1 主梁、墩的截面特性2 6 表3 2前十阶振型的频率及振型特征2 8 表3 3 公路抗震设计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) 建议的地震峰值加速度3 0 表3 4 反应谱分析与时程分析内力比较3 2 表3 5 反应谱分析与时程分析位移比较3 2 表3 - 6 行波效应下结构内力3 4 表4 1 主梁顺桥向最大弯矩3 6 表4 2 桥墩墩顶顺桥向最大弯矩3 8 表4 3 桥墩墩底顺桥向最大弯矩3 9 表4 4 桥墩墩底顺桥向最大剪力4 0 表4 5 主梁横桥向最大弯矩4 2 表4 6 桥墩墩底横桥向最大弯矩4 3 表4 7 桥墩墩底最大扭矩一4 4 表4 8 墩底横向最大剪力4 6 表5 1 三种模型墩高及高差4 8 表5 2 三种模型前十阶频率比较4 9 表5 3 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时跨中及墩顶顺桥向最大位移5 1 表5 4 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时跨中及墩顶顺桥向最大位移一5 1 表5 5 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时墩顶顺桥向最大弯矩5 2 表5 - 6 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时墩顶顺桥向最大弯矩j 5 2 表5 7 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时墩项顺桥向最大剪力5 3 表5 8 输入峰值加速度4 0 0 c m s2 时墩项顺桥向最大剪力5 3 表5 - 9 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时墩底顺桥向最大弯矩5 3 表5 1 0 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时墩底顺桥向最大弯矩5 3 表5 1 1 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时墩底顺桥向最大剪力5 4 表5 1 2 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时墩底顺桥向最大剪力5 4 表5 1 3 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时跨中顺桥向最大加速度5 4 表5 1 4 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时跨中顺桥向最大加速度5 4 表5 一1 5 输入峰值加速度7 0 c m s2 时跨中及墩项横桥向最大位移5 5 表5 1 6 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时跨中及墩顶横桥向最大位移5 5 表5 1 7 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时墩顶横桥向最大弯矩5 6 表5 1 8 输入峰值加速度4 0 0 c m s2 时墩顶横桥向最大弯矩5 6 表5 1 9 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时墩项横桥向最大剪力5 6 表5 2 0 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时墩顶横桥向最大剪力5 6 表5 2 1 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时墩底横桥向最大弯矩5 7 表5 2 2 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时墩底横桥向最大弯矩5 7 表5 2 3 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时墩底横桥向最大剪力5 7 表5 2 4 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时墩底横桥向最大剪力5 7 表5 2 5 输入峰值加速度7 0 c m s 2 时跨中横桥向最大加速度5 8 表5 2 6 输入峰值加速度4 0 0 c m s 2 时跨中横桥向最大加速度5 8 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 胆工业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：白1 签字日期：谚年1 月绎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、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 论文被查阅和借阅。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： 易白1 i 签字日期：9 多年，月蜱日 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 念 、 、歹 1 i f 峙扣年“ 一 ， 名 期奄 签 日 师 字 7 导 签 致谢 本文是在导师杨成斌教授的悉心指导下完成的，从论文的选题到撰 写的整个过程中无不倾注了恩师的心血。这三年中，无论是在学习还是 在生活上，杨老师都给予了我严师慈父般的指导和关怀。恩师谦虚谨慎、 严谨治学、勤劳务实、诲人不倦的风范时刻影响着我，这将使我受益终 生。借此机会，向恩师表达最诚挚的敬意! 在论文完成的过程中，得到了很多同学的无私帮助，在此向张鸣 详、侯世栋、甘果、张元连、曹忠华等同学表示感谢，祝他们学业有成、 前程似锦! 感谢安徽省公路勘测设计院桥梁分院王胜斌院长为我提供的实习条 件以及对我的指导，感谢桥梁分院梅应华师兄、唐国喜、吴志刚、陆文 超等在实习期间对我的关心和指导! 感谢父母对我二十多年来的养育之恩，正是他们的支持和鼓励我才 得以完成我的学业! 感谢女友李兰对我的大力支持! 深深的感谢所有关 心和爱护我的亲人和同学们! 由于时间和水平的限制，本文的研究工作只是一些基础性的研究， 后面有待解决的问题还很多，深感自己所做的工作还不够，文中的错误 和不妥之处恳请各位老师和专家指正! 作者：王剑 2 0 0 8 年0 1 月 第一章绪论 1 1 连续刚构桥的特点及发展现状 在梁式桥中，简支梁、悬臂梁和连续梁是三种古老的结构体系。随着预应 力技术和悬臂施工方法的发展，悬臂体系得到了新的发展，形成了t 型刚构桥。 随后，又出现了将t 型刚构粗厚桥墩减薄，形成柔性桥墩，而将主梁做成连续， 形成连续刚构体系。根据主梁是否连续可以分为非连续式主梁的刚构桥( t 型刚 构) 和连续刚构桥。根据主梁与桥墩墩项结合部的处理方式，可分为连续刚构 型桥梁和连续梁一刚构组合型桥梁。 连续刚构型桥梁是一种比较常见的桥型，其结构特点是桥墩和主梁固结， 桥梁系没有剪力铰和挂梁，即保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保 持了t 型刚构不设支座的优点，方便施工，且有很大的抗弯刚度和抗扭刚度， 能满足特大跨径桥梁的受力要求。连续刚构型桥梁主梁一般采用变截面预应力 箱梁；桥墩一般采用双肢或单肢薄壁箱型截面。在竖向荷载作用下，主梁将在 中间支点处产生负弯矩，因而跨中正弯矩将减少；桥墩除承受轴力外也承受弯 矩及水平推力。同时墩梁固结省去了大跨连续梁的支座及制动墩或专门的抗震 支座，减小了桥墩的厚度，便于采用悬臂施工，施工过程无需体系转换。但是 由于超静定的结构形式，连续刚构桥在混凝土收缩、徐变、温度变化、墩台不 均匀沉降和预应力等因素作用下都会在结构中产生及较大得附加内力。 刚构桥最早在原联邦德国修建，1 9 5 3 年原联邦德国首次采用悬臂施工法建 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的一种新体系一t 形 刚构，并对其它体系桥梁产生了深远影响。19 6 4 年联邦德国又建成了主跨为 2 0 8 m 的本道夫( b e n d o r f ) 桥，再一次成功的显示出悬臂施工法的优越性。7 0 年 代后，日本连续修建了滨名、浦户大桥，均为连续刚构桥。 在我国八十年代以后，特别是九十年代以来，随着高速公路的迅速发展， 要求行车平顺舒适，连续梁得到了迅速的发展。悬臂施工时，梁墩临时固结， 合拢后梁墩处安设支座，转换体系成为连续梁。连续梁除两端外其余部位无伸 缩缝，有利于行车，但需设置大吨位支座，费用高，养护工作量大；同时要进 行梁墩临时固结和体系转换，于是连续刚构桥应运而生，近年来得到较快的发 展。我国1 9 8 8 年建成的主跨1 8 0 m 的广东洛溪大桥，开创了我国修建大跨连续刚 构桥的先例，随后相继建成了沪州长江二桥( 主跨2 5 2 m ) 、重庆黄花园大桥( 主 跨2 5 0 m ) 以及1 9 9 7 年建成的主跨为2 7 0 m 的虎门大桥辅航道桥。连续刚构桥的突 出优点使得这一桥型在我国得到了广泛的应用。目前世界上处于第一位的是 2 0 0 6 年建成的中国重庆石扳坡长江大桥复线桥，其主跨达3 3 0 m 。表1 1 列出了国 内外著名的大跨径连续刚构桥。 表1 1 国内外著名大跨径连续刚构桥( l 2 5 0 m ) 随着交通事业的发展，公路刚构桥大量修建，在一些山岭重丘区，桥梁往 往需要跨越深谷，在跨径不断加大的同时，桥墩也越来越高。最近几年高墩桥 梁在公路上逐渐得到应用，如在沪蓉国道主干线的龙谭河特大桥，该桥是跨径 组合为1 0 6 m + 2x2 0 0 m + 1 0 6 m 的预应力混凝土连续刚构桥，最大墩高达1 7 8 m ， 居国内刚构桥高墩之最。表1 2 列出了几座典型的高墩连续刚构桥。 表1 2 国内典型高墩连续刚构桥 1 2 地震的危害及启示 地震是与地球构造运动密切相关的一种自然现象。在地质构造运动中，发 生较剧烈的破坏性变动时，引起地面震动，从而对地上或地下各种建筑物造成 不同程度的地震破坏，常导致生命、财产和社会经济等损失。震害可分为直接 2 震害和间接震害两类。直接震害是由地震直接引起的人身伤亡与财产损失，财 产损失中包括各种工程结构物，如房屋、建筑构筑物、桥梁、隧道、道路、水 利工程以及自然环境，如农田、河流、湖泊、地下水等的破坏；间接震害是指 由于地震发生引起的其它灾害和损失，如火灾、水灾、流行疾病和由于劳动力 损失和交通中断等引起的一连串的经济损失等心1 。 随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通线的依赖性也 是越来越强，而一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的财产以及间接经济损 失也越来越大。从1 9 7 1 年美国s a nf e r n a n d o 地震( m 6 6 ) ，就显示出生命线工 程破坏的严重后果；接着1 9 8 9 年美国l o m ap r i e t a 地震( m 7 0 ) ，桥梁工程破坏的 严重后果再次告诫人们，现代交通网络中断的危害性；1 9 9 4 年美国n o r t h r i d g e 地震同样造成了洛杉矶市高速公路多座桥梁倒塌，严重的交通中断造成了巨大 的经济损失；最近的1 9 9 5 年日本阪神大地震，也仅是一个中等强度的地震，却 造成了大量的高速公路和铁路桥隧毁坏，使经济遭受巨大损失。以当时的币值 计算，这四次地震造成的经济损失分别为：1 0 亿美元，7 0 亿美元，2 0 0 亿美元， 1 0 0 0 亿美元。这几次地震的共同特点是：由于桥梁工程严重破坏，切断了震区 交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，导致了巨大的经济 损失。 另据文献资料 3 显示：我国唐山地震，城市人口15 0 万，在遭遇m 7 8 级 地震的袭击下，整个城市人员死亡近2 4 万。然而，1 9 8 5 年智利拥有人口1 0 0 余万 的整个帕莱索市遭受同样强度的地震，却只有1 5 0 人死亡，不到一周，城市功能 就恢复了原状。日本东京在吸取1 9 2 3 年关东大地震的教训后，在建设中十分重 视城市抗震设防，要求能抗御8 级地震。因而，1 9 8 6 年东京遭受6 2 级地震时， 一座千万以上人口的城市仅死亡2 人，城市几乎未遭损坏。可见，近百年来，国 内外发生的大地震灾害都证明了科学合理的结构抗震设计与抗震构造措施是减 轻地震灾害的最有效措施。 震害的调查研究给我们的启示是：加强地震理论研究，制定科学的、合理的、 有效的结构抗震设防标准及抗震设计原则；重视生命线工程，如桥梁工程的抗 震研究。 1 3 桥梁震害分析 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。国内外地震工作者历来都很重视震害的调查研究。 近二十余年发生的几次大地震使桥梁结构遭到严重破坏，但也使我们获得了非 常宝贵的经验与教训。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h 咱1 ： ( 1 ) 上部结构移位震害。所谓上部结构移位震害即桥梁上部结构的纵向、横 向及扭转发生的移位造成的震害。一般来说在设置伸缩缝的地方容易发生。这 3 种震害的具体表现形式之一是梁间开脱、错位或顶撞；另一种形式是大位移使 上部结构超出了墩、台的支持面而导致落梁。资料表明，纵向落梁情形远多于 横向，它占全部落梁总数的8 0 9 0 ，纵向落梁时，梁端撞击桥墩侧壁，同时 冲击下部结构，对下部结构会造成很大影响，甚至造成墩身等下部结构破坏。 ( 2 ) 支承连接部位( 支座) 的震害。桥梁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支承传力失效并导致力的传递方式变化，从而对结 构其他部位的抗震产生影响，进一步加重震害。支座破坏形式主要有支座位移， 锚固螺栓拔出、剪断，滑动支座脱落等。在我国海城、唐山地震中，就有不少 支座破坏以及连接措施不当引起落梁的例子。 ( 3 ) 下部结构和基础的震害。下部结构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部位产生破坏而引起 的。从大量震害实例来看，比较高柔的桥墩多为弯曲破坏，矮粗的桥墩多为剪 切破坏，介于两者之间的则为复合型式的破坏。 通过对桥梁震害的进一步分析，可以将桥梁震害的起因分为以下四类h 咱1 ： ( 1 ) 由于砂土液化，地基下沉，岸坡滑移或开裂而引起基础的破坏，从而导 致桥梁的倒塌。因此，在选择路线和桥位时，应绕避对抗震不利或危险的地段。 ( 2 ) 因桥梁结构形式、构造或连接措施不当而引起落梁等震害。在1 9 9 4 年美 国的n o r t h b r id g e 地震和1 9 9 5 年日本的阪神地震中，用逐跨施工法修建的连续高 架桥损坏特别严重。由于这种连续高架桥的结合部常设在跨内弯矩较小处，结 合部主要传递剪力，构造简单，但牛腿太短，支承面过窄，在强烈地震的竖向 和水平作用下，结合部损坏，使结构处于长悬臂状态，产生断裂而塌落。 ( 3 ) 桥梁各支承点的地面运动不一致( 地面运动的空间变化性) 引起震害：最 典型的例子是在阪神地震中位于震中附近正在建设的明石海峡大桥。地震发生 时，主跨长1 9 9 0 m 的悬索桥主缆己架好，正待吊设钢梁。震后，位于淡路岛一侧 的锚台相对于神户一侧的主塔及锚台水平移位1 4 m ，而主塔相对水平移位1 3 m 。 不过，这一移位并不大( 相对于19 9 0 m ) ，塔基的各向转角都很小，原主塔结构完 好，虽然这一震害并没有对明石海峡大桥造成破坏，但不同结构形式对各支承 点不一致运动的敏感程度是不一样的，换了一种结构形式，这样的移位情况可 能会导致很严重的后果。因此，进行地震反应分析时，需考虑多点不一致激励 问题。 ( 4 ) 桥梁墩柱本身抗震能力不足引起的破坏，包括强度和延性的不足。在历 次大地震中，大量钢筋混凝土墩柱的严重破坏主要是由于本身的抗剪强度和弯 曲延性不足引起的。 4 1 4 大跨连续刚构桥的抗震研究现状 1 4 1 分析方法的研究 在大跨度连续刚构桥梁的抗震分析理论方面，主要是静力法、反应谱法、 时程分析法以及随机振动的方法。静力法是早期采用的分析方法。最早在1 8 9 9 年，日本的大房森吉提出了静力法的概念。静力法假定结构物与地震动具有相 同的振动，把结构物在地面运动加速度皖作用下产生的惯性力视作静力作用于 结构上做抗震分析。反应谱法使用简单，是当前应用较广的设计方法，但是由 于它基于单点地震激励而建立，故不能用于地震多点激励问题凹。2 。国内外的 学者做了很多研究试图突破，但是尚难实际应用于大跨度结构多点激振问题 n 3 1 4 1 。随机振动的方法提供了对响应的统计量，不受任意选择的某一个输入运 动的控制，因此有很广阔的应用空间，然而现有的方法计算复杂，计算量大， 很难实际应用。k i u r g e h i a n 等n 列认为：虽然随机振动的方法以其统计特性而很 吸引人，但却不能为工程接受为分析方法。我国研究工作者近年来发展了对于 复杂结构随机振动计算分析的高效精确计算方法一虚拟激励法，可以较好地考虑 行波效应、相干性、局部场地效应等，为大跨度连续刚构桥的多点地震分析开 辟了一条有效途径n 6 叫 。时程分析法由于是在离散的时间点上一步一步地求响 应的数值解，所以该方法可以在任一时间点上随时修改结构参数，很适合于处 理参数随时间变化的非线形问题，这也是此方法优于上两种方法之处阻旷圳。而 且，随着计算机技术的发展，特别是a n s y s 、s a p 、a d i n a 、m i d a s 等大型有限元 软件的出现，计算效率和正确性有了很大提高，更推进了时程分析方法的应用。 1 4 2 地震动输入的研究 在大跨度连续刚构桥地震动输入方面，如何确定输入地震动一直是工程界 的难点问题。一般做法是选择与结构所在地类似场地上的实际地震动，根据期 望的加速度峰值对实际地震动峰值进行调整。也可以使用人工合成地震动作为 输入，在地震动合成方面，s c a n l a n 等在1 9 7 4 年提出了用三角级数模型( 不考虑 相角分布特征) 来模拟具有给定功率谱的地震动加速度时程心4 j 。1 9 7 9 年，o h s a k i 注意到相位差谱对加速度时程形状的影响心2 i 。随后国内外学者在人工地震动合 成以及地震动空间变异性等方面也做了很多研究，基本上都是谐波合成方法的 拓展。如王航、杨庆山等学者采用基于相位差谱的方法合成加速度时程，并使 用自编程序研究了地震动空间变异性对一座2 4 跨立交桥的影响心引；屈铁军、王 前信在前人研究的基础上提出了一套多点地震动时程的合成方法，考虑了各点 地震动的相干性心4 j 。国际上在2 0 世纪8 0 年代发展了使用自回归滑动平均法 ( a r m a ) 来模拟随机过程，胡孔国等系统研究了使用a r m a 时间序列法生成给定 地震动加速度功率谱合成人工地震动的方法。然而，国内的文献采用各种方法 一般都是合成地震动加速度时程，可是在大型通用有限元软件中使用加速度时 程则不能很好地考虑地震动的空间变异性，虽然可以使用积分的方法根据加速 度时程得到位移时程，可是积分误差问题现阶段没有得到很好的解决。 1 4 3 刚构桥抗震研究 与中小跨径桥梁相比，大跨连续刚构桥的地震响应及抗震设计更为复杂， 如高阶振型的影响比较明显，以及需要考虑行波效应、桩土效应和各种复杂的 非线性因素等。目前关于高墩的研究工作并不多。范立础等对五座连续刚构桥 作了地震反应分析，结果表明纵向地震和横向地震作用分别对低墩和高墩产生 不利影响，并指出了地震反应的控制截面：墩底、主梁根部和跨中。马坤全对 大跨连续刚构桥的空间地震响应进行了分析，结果表明：行波效应对结构反应 不利，梁的横向刚度变化对桥的横向地震响应影响不大。魏琴等对连续刚构桥 进行地震分析，得出结论：竖向地震对结构的内力影响较小，行波效应及桩土 效应使结构内力、位移等增长明显乜6 l 。郑史雄等对主跨达2 0 0 m 的三跨连续刚构 进行多点激励的地震分析，结果表明行波效应和多点激励对结构的反应影响很 大，而且行波波速的变化对结构的最大内力影响非常复杂心7 | 。在高墩的延性性 能方面，同济大学袁万城教授对城市桥梁中单、双柱桥墩的延性性能进行了比 较，结果表明单柱式桥墩墩顶位移要大于双柱式桥墩墩顶位移心引，在试验方面， 同济大学叶爱君设计了高墩模型，采用桥址人工波和e i 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，分析了高墩墩顶的位移响 应，并与理论分析结果进行了比较心9 | 。日本的y o s h i z a w a ，t s u t o m u 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方法0 。 u v 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 设计问题口1 1 ，0 t s u k a ，h i s o n o r i 在研究具有双桥面系统的连续刚构桥进行三维 时程分析时发现这类构件在横向地震荷载作用下容易倾覆，并建议对此类桥梁 作减震装置2 3 3 1 。 综上所述，目前在高墩大跨度连续刚构桥梁的抗震计算方法、考虑空间变 异性的地震动输入、高墩的抗震等方面仍然存在诸多问题，因此，对高墩大跨 度连续刚构桥梁进行抗震性能的研究，具有重要意义。 1 5 本文研究的目的及意义 由第一节介绍可知，随着我国公路交通事业的迅猛发展，公路刚构桥特别是 大跨连续刚构桥所表现出来的良好的经济性、适用性使该桥型在桥梁工程领域 得到应用。我国幅员辽阔，在一些山岭重丘区，山高谷深，地形复杂险峻，修 建的连续刚构桥往往需要跨越大量深谷，使桥梁主跨及桥墩高度也相应加大， 墩高和跨径不断突破原有记录，不同桥墩的相对高差也越来越大，给桥梁抗震 带来了很多难题。但是目前我国大跨度桥梁抗震设计规范还不完备，只能参考 公路工程抗震设计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) 、建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 11 2 0 0 1 ) 铁路工程抗震设计规范( g b j l1 1 8 7 ) 以及国外有关规范进行抗震设计。 而公路工程抗震设计规范只适用于主跨不超过1 5 0 m ，墩高不超过3 0 m 的 6 梁桥和拱桥，铁路工程抗震设计规范虽然没有说明跨径范围，但指出“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”，其它各国规范也都有 类似的规定，如表1 3 所示，因此对于高墩大跨连续刚构桥，既不能依靠现有的 规范进行抗震设计，又无成熟的设计经验可以遵循，并且由于近2 0 年来，尤其 是最近十年来新建的高墩大跨连续刚构桥梁，几乎没有经历过强震的检验，因 而高墩大跨刚构桥梁的震害资料严重匮乏，抗震设计经验还不丰富。因此，研 究其地震响应特点，对于此类桥梁结构的合理抗震设计有重要的意义。 表1 - 3 各国桥梁抗震设计规范的适用范围 1 6 本文主要内容 本文以金塘大桥东通航孔桥为为工程背景，对其稍作简化后进行了反应谱 分析和动力时程分析，并且考虑了行波效应对结构的影响；通过对不同墩高、 不同跨径的大跨连续刚构桥进行分析，研究了桥墩墩高、桥梁跨数、高低墩相 对高差这些参数的变化对高墩大跨连续刚构桥的地震响应影响，主要内容如下： ( 1 ) 介绍了刚构桥的特点，桥梁震害形式，及高墩大跨连续刚构桥的抗震研 究现状。 ( 2 ) 阐述了结构抗震分析的基本理论，重点介绍结构抗震分析的确定性分析 方法：静力法、反应谱法、动力时程分析法。 ( 3 ) 建立高墩大跨连续刚构桥的力学模型，进行反应谱分析和动力时程分 析，对两种方法分析结果进行了比较，并且分析了行波效应对结构的影响。 ( 4 ) 研究了桥墩的高度、桥梁跨数、高低墩相对高差这些桥梁参数对高墩大 跨连续刚构桥地震响应的影响，总结出一些规律。 7 第二章抗震分析基本理论 桥梁结构的地震响应分析是一个抗震动力学问题。动力学问题都具有三个 要素，即输入( 激励) 、系统、输出( 响应) 。求解动力学问题，就是已知两个 要素求解第三个要素，如图2 1 所示。对于桥梁结构的地震响应分析，所研究 的桥梁结构可看作一个系统，采用有限元法时，往往把结构处理为由许许多多 离散单元在各节点处连接起来的一个集合体；而把地震地面运动看成是对系统 的输入；系统的输出即是地震响应。这样，地震响应分析就是已知地震输入和 结构系统求地震响应的问题。因此，桥梁结构的地震响应分析要解决三个关键 问题： ( 1 ) 确定合适的地震输入； ( 2 ) 建立结构系统的数学模型及振动方程：一般采用有限元方法将结构离散 化，建立桥梁结构力学模型，然后确定各离散单元的力学特性，最终建立相应 的地震振动方程： ( 3 ) 选择合适的方法求解地震振动方程得到地震响应。 图2 1 动力学问题三要素 2 1 地震动输入 合理确定地震动输入是结构抗震分析与设计的依据。结构的地震响应与它 所输入的地震特性、输入模式( 如是否考虑地震空间变化性，输入方向及组合 模式) 等密切相关。地震动输入主要包括以下三个问题： 2 1 1 关于地震动的选取 从7 0 年代初以来，各国在地震加速度输入方式上主要有下列两种： ( 1 ) 直接利用强震记录 常用的强震记录有e 1 - c e n t r o 波、天津波、t a f t 波等，在选择强震记录时， 除了最大峰值加速度应符合桥梁所在地区的烈度要求外，地震加速度时程的主 要周期应尽量接近于桥梁场地的卓越周期。因为根据研究，这两种周期在某种 程度上是接近的。根据表2 1 可知，天津波适用于软弱场地，而e 1 一c e n t r o 、 t a f t 等波分别适用于坚硬、中等硬度的场地。对于强震持续时间，原则上应 采用持续时间较长的记录。当所选择的实际地震记录与输入地震的要求有某些 不符时，一般可作如下修正：一是强度修正，将地震峰值加速度按比例放大或 缩小，使其与桥址场地抗震设防烈度所对应的峰值加速度一致；二是周期修正， 使地震加速度时程的主要周期和桥址场地的卓越周期一致，但这将使地震加速 度时程的频谱特性发生改变，故修正幅度不宜过大。另外，如能获得桥址场地 附近同类地质条件下的强震记录是最佳选择，应优先采用。 表2 1 几个强震动记录的土要特征 ( 2 ) 采用人工地震加速度时程 人工地震加速度时程是根据随机振动理论产生的符合所需统计特征( 加速 度峰值、频谱特性、持续时间) 的地震加速度时程。生成人工地震加速度时程 主要有两条途径：一是以规范设计反应谱为目标拟合而成；二是对建桥桥址场 地进行地震危险性分析，提供基岩的地震运动参数，再进一步生成基岩和场地 的人工地震加速度时程 不论采用哪一种方法确定输入地震波，均要考虑频谱特性、地震动强度和 持续时间三大因素。 ( 1 ) 频谱特性 频谱特性反应了地震波的基本特点和频谱含量，体现了地震能量的主要作 用频率。地震波的频谱特性主要与震源、传播途径和场地条件相关。 地震波的频谱特性就是代表地面运动中各种频率对振动大小所其作用的特 性。从结构动力学的共振概念，可以简单理解地面运动的频谱组成对结构反应 的影响：当结构的自振频率在地面运动的峰值频率附近时，该结构将受到较大 的地震作用。地震动频谱特性可以用功率谱、反应谱和傅立叶谱表示。一般来 讲，震级越大，地震动记录中的长周期( 低频) 分量越显著；震中距越远，地 震动记录中的长周期( 低频) 分量越显著；软土地基上地震动记录的卓越周期 显著，而硬土地基上的地震动记录则包含多种频率成分。 ( 2 ) 地震动强度 地震动强度是指输入地震波中地震动幅值的大小。当采用人工合成的地震 动时程时，应根据设防水准确定。通常以加速度峰值作为基本标志，其它加速 度幅值按比例作相应调整。 ( 3 ) 持续时间 地震波持续时间对结构反应的影响，主要表现在结构进入弹塑性状态以后， 持续时间长会使塑性变形积累。因此选定地震波持续时间与时程分析的要求有 关，如果仅对结构进行弹性分析并只要得到弹性状态下的最大反应，则持续时 间不必过长，如果要进行弹塑性状态下的最大反应及耗能分析，则持时应该较 9 长。但无论如何，持续时间应当包含地震记录中幅值较大的那部分时间，并且 一般应至少取结构自振周期的3 - 4 倍。 2 1 2 关于地震动空间变化特性 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，而不考虑它们的空间变化性，对于 大跨连续梁桥、跨越深谷的高墩桥梁结构、大跨斜拉桥、悬索桥、拱桥等，在 桥长范围内，各墩基础类型和周围土质条件可能有较大差别，因此各墩的地震 波的幅值是不同的，甚至波形亦有变化，因此，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。此外在场地条件变化不大的情况下，地震沿桥 梁顺桥方向到达各支承处的时间差异，会引起地震时程输入的相位差，简称行 波效应。行波效应和一致激励都是多点激励的特例。国内外对许多不同的大跨 桥梁分析结果表明，行波效应和多点激震对结构的地震响应影响很大。 2 1 3 关于地震输入的方向及组合模式 由于地震动发生在时间和空间上的随机性，很难确定使结构产生最大反应 的方向。目前各国规范大都采用三个正交方向( 顺桥向、横桥向、竖向) 上将 地震作用进行组合作为输入。为方便叙述，以e 。、层。、e ：分别表示顺桥向、 横桥向、竖向的的地震作用。 我国公路工程抗震设计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) 中规定“验算构造物地震作 用时，竖向地震系数取水平向的o 5 倍 “分别考虑顺桥向和横桥向两个方向的 水平地震荷载，对于基本烈度为度区的大跨悬臂梁桥，还应考虑竖向地震荷 载和水