土耳其伊斯坦布尔2座悬索桥的抗震性能评估及加固研究.pdf

7 6 世 界 桥 梁 20 13 4 1 6 土耳其伊斯坦布尔 2 座悬 索桥 的 抗震性能评估及加 固研 究 编 译王 德华 中铁 工程设 计 咨询 集 团有 限公 司桥 梁 院 北 京 100055 摘要 博斯普鲁斯大桥和法 提苏丹穆赫迈特大桥是位于土耳其伊斯坦布尔的 2 座悬索桥 主跨分别 为 1 074 m 1 090 m 为防范可能 出现 的地震损害 对这 2 座桥进行抗震性能评估 建立 2 座 大桥 的三维结 构有限元模 型 进行 自由振动分析 得 到大桥在恒 载和活 载作用下 的振动频率及模态响应 采用多点激励非 线性三维有 限元 时程 分析进行抗震性能评估 得到了 2 座 大桥在设定地震激 励下重要结 构单元 的位移 与张力 并与各 自的限定值 进行 比较 虽然 2 座大桥在原始设计时都采用了 比较低 的地震荷 载 但计 算结果 显示其具有 优 良的抗 震性能 最 后 对博 斯普 鲁斯 大桥进行 了设置迟滞阻尼器 的加 固设计 关键 词 悬索桥 地震 抗震性能 有 限元模型 时程 分析 多点激振 加 固 中图分类号 U 448 25 U 442 55 文献标 志码 A 文章编号 1 671 7767 2013 06 0076 05 1 前 言 1999 年 在土耳 其 马尔 马拉 地 区发 生 的 7 4 级 地震 导 致 了重 大 的人 员 和 经 济 损 失 这 次 地 震 的 震 中位 于 伊 斯 坦 布 尔 东 南 部 约 80 km 处 当 时 高 速公 路 系 统 的抗 震 性 能 表 现 良好 为 防范 有 可 能 出现 的地 震 损 害 有 必 要 对 伊 斯 坦 布 尔 境 内 桥 梁 的抗 震 性 能 进 行 评 估 并 研 究 加 固措 施 本 文 对 伊斯 坦 布 尔境 内 2 座 悬 索 桥 的抗 震 性 能 及 其 加 固 措施 进 行 了研 究 博斯普 鲁斯 Bosporus 大 桥和法 提 苏丹穆 赫 迈 特 F ati h Sul tan M ehm et 大 桥 位 于 伊 斯 坦 布 尔 的 博斯普鲁斯海峡 伊斯坦布尔是土耳其地震风险较 大 的城市 约有 1 500 万 人 口 博 斯普 鲁 斯海 峡将 土 耳其 分 为欧洲 部分 与亚 洲部 分 2 条 高速 公路 将 这 2 块 大 陆互 相 连 接 这 2 条 高 速公 路 也 是城 市 主 干 道 任何在破坏性地震期 间发生的桥梁断裂都有可 能 导致整 个城 市 的交通 系统瘫 痪 欧洲侧 23 1 亚洲侧 25 5 2 工程概 况 2 1博斯 普鲁 斯大 桥 博斯 普鲁斯 大桥 建成 于 l 973 年 通过伊 斯 坦布 尔 的奥 尔 塔 柯 伊 O rtakoy 和 贝伊 莱 尔 贝 伊 Bey l erbeyi 两 区连 接 欧 亚 大 陆 该 桥 为 主 跨 1 074 m 的钢塔斜 吊杆 重力式 锚 同悬 索 桥 桥 宽 33 4 m 亚 洲侧 边跨 为 4 跨 钢箱 梁桥 长 255 m 欧 洲侧 边跨 为 5 跨钢 箱梁 桥 长 231 m 桥 梁造价 达 2 亿 美元 桥 梁 总体 布置如 图 1 所 示 材 料特 性如 表 1 所示 表 1博斯普鲁斯大桥 的材料特性 8 口 口 一 一 硎 l l 吕 I j 目一 200 200 广 边跨岩锚 a 立面 b 桥塔 图 1博斯普鲁斯大桥 总体布置 占 1 兰 一 C 主跨横截面 d 边跨横截面单 位 I11 收稿 日期 20l 3 06 09 编译者简介 王德华 1965一 男 高级工程师 1988 年毕业 于石家庄铁道学院桥梁工程专业 工学学士 E m ai l w angdh l 1 1222 1 63 c orn 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 土耳其伊斯 坦布尔 2 座悬索桥 的抗震性能评估及加 固研究 王德华 77 2 2 法提 苏丹 穆赫 迈特 大桥 法提苏丹穆赫迈特大桥位 于博斯普鲁斯大桥以 北 5 km处 跨 越 博 斯 普 鲁 斯 海 峡 该 桥 为 主 跨 1 090 1TI的 无 边 跨 钢 塔 垂 直 吊 杆 重 力 式 锚 固 悬 索 欧洲侧 2 10 1 0 9 0 亚洲侧 2 10 型 D a 立面 桥 桥 宽 39 4 ITI 该 桥 于 1988 年 完工 造价 为 1 3 亿美元 桥梁总体布置如图 2 所示 材料特性 如表 2 所 示 1 苎 曼 一 b 桥塔 图 2 法提苏丹穆赫迈特大桥总体布置 表 2 法 提 苏 丹 穆 赫 迈 特 大 桥 的 材 料 特 性 3 抗 震性 能分 析和 加 固研究 3 1 三维有 限元 结构 模 型 为做 出可靠 接 近实 际 的抗 震 性能 分析 需要 细 化 三 维有 限元模 型并 反 映结构 的所 有特 征 博斯 普 鲁 斯 大桥 的边跨 为 高架桥 采 用 细长柱 式桥 墩 与 以 前 研 究 中所 采 用 的有 限 元 模 型不 同 的是 该 次 研 究 中将 博斯普 鲁 斯大 桥 的边跨 高架 桥也模 拟 到三 维有 限元 模型 中 从 而 得 到 了更 为 接 近 实 际 情 况 的有 限 元模 型 研究 中的 结 构 分 析 软 件 为 SA P 2000 vl 1 O8 采用 桁架 单元 模拟 桥塔 和 主梁 索单元 模 拟主 缆 背 缆和吊杆 根据 2 座大桥 的实际特性 索单元不承 受压 力 和弯矩 由于 2 座 大 桥 均 为 钢结 构 桥 梁 钢 的材 料特 性按 各 向 同性 材 料考 虑 2 座 大 桥 的结构 阻尼 比均取 0 02 所 有结 构 单元 均 采用 动能 比例 阻 尼 所有 结构 单元 不考 虑 塑性变 形 桥 梁建 模 时 对 边 界 条件 及 单 元进 行 了精 确模 拟 使其 尽可 能 与 实 际情 况 一 致 由于 实 际 结 构 中 摇轴 支 座对桥 面 系 的模 态 及 振 型 次 序 影 响 较大 因 此在 模 型 中应 该 考虑 支座 的模 拟 2 座 大桥 的摇轴 支座 如 图 3 所 示 2 座 悬索 桥 的桥塔基 础 与 主锚 碇 直 接锚 固在基 岩上 计算结果显示 土体和结构 的相互作用没有 影响到塔的分析结果 因此在桥塔 和基岩之间使用 l 33 8 l I E 互 j 五 1 5 1 5 卜 3 9 4 c 主桥横截面 单位 m I 3 0 00 l 一 a 博斯普鲁斯大桥 3 0 80 0 b 法提苏丹穆赫迈特大桥 单位 m巾 图 3 摇轴支座 了固定连接 提高 了计算机 的处理速度 同样在锚 碇 的模拟 中也 没有考 虑结 构周 围土 体和 结构 的相互 作用 背缆 直 接 采 用 三 维 索 单 元 连接 锚 碇 2 座 大 桥 的三维 有 限元模 型如 图 4 所 示 a 博 斯普 鲁斯 大桥 b 法提苏丹穆赫迈特大桥 图 4 三维有 限元模型 3 2 自由振 动特性 通过三维有限元模型分析得到了 2 座悬索桥纵 向 横向和竖 向动力特性 其 中前 5 阶振型如图 5 图 6 所示 前 1O 阶自振频率如表 3 表 4 所示 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 7 8 世 界 桥 梁 20 13 4 1 6 a 1阶振型 司 b 2阶振型 c 3阶振型 箍 一 啦 d 4 阶振型 誊 e 5 阶振型 图 5 博 斯 普鲁 斯 大 桥 前 5 阶 振 型 a 1阶振型 b 2 阶振型 c 3 阶振型 d 4 阶振型 e 5 阶振型 图 6 法提苏丹穆赫迈特大桥前 5 阶振型 表 3 博斯普鲁斯大桥前 10 阶 自振频率 表 4 法提苏丹穆赫迈特大桥前 10 阶自振频率 3 3 分 析论 证对 比 研究 人 员在不 同时期 对这 2 座大 桥动 态特性 进 行 过 研 究 Brow ni ohn 等 人 1989 E rdi k 等 人 1989 Beyen 等人 1994 以及 K osar 2003 对 博 斯 普 鲁 斯 大 桥 进 行 了 分 析 研 究 Brow njohn 等 人 1992 A paydi n 2002 对 法 提 苏 丹 穆 赫 迈 特 大 桥 进行了分析研究 之前所做研究结果与本文研究结 果 对 比如表 5 表 6 所示 表 5 博斯普鲁斯大桥研 究结果对 比 表 6 法提苏丹穆赫迈特大桥研 究结果对 比 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 土耳 其伊 斯坦布尔 2 座悬索桥的抗震性能评估及加 固研究 王德华 79 3 4模 拟 场地震 动 依据设计时的抗震标 准 2 座悬索桥的设计地 震 荷 载较低 但 是研 究结 果显 示 2 座 悬 索 桥在 运 营 中都表现出了高于其设计荷载的抗震性能 在博斯 普鲁斯 大 桥 的设 计 中 基 本 水 平 地震 系 数 为 0 10 基本垂直地震系数为 0 05 在法提苏丹穆赫迈特 大桥的设计中 遵循 了博斯普鲁斯大桥 的设计理念 并 由咨询 师 F reem an Fox 和 B otek 进 行 了修 改 基 本水 平 地 震 系 数 取 0 10 而 基 本 垂 直 地 震 系 数 取 0 5 5 在性 能 评估 和加 固设 计 中 考 虑 了 2 种 抗 震性 能水平 F EE 1 级 50 年 内发生地震 的概率 为 50 9 6的基 本评 估地 震水 平 SE E 2 级 50 年 内 发生地震的概率为 2 的安全评估地震水平 在 FE E 级场 地震 动下 破坏 水平 很小 基 本 处 于 弹性阶段 大桥仍可使用 交通不中断 这种场地 震动是指发生概率很 高的 在桥梁 的生命周期中有 60 0 40 0 目20 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 5 0 0 N 目 越 曩 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 l O O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 可能会 发生 1 次 或 2 次 地震 在 5O 年 内这 种 地 震 的发生 概率 超过 5O 基于设 定地 震 FE E 地震 相 当于 马尔 马拉海 断层 特定 场地 下 7 5 级 的地震 所产 生 的场地震 动 在 SE E 级场 地震 动破 坏下 桥梁 仅 允许 发 生可 修复的破坏 即这种破坏最大限度是使桥梁有丧失 功能的风险 但无生命危险及其它危害 在考虑该 地 区 SE E 级地震 时 设 定 地 震 相 当 于 5O 年 内发 生 概率 超 过 2 9 6的地 震 所 产 生 的场 地 震 动 在 SE E 条件 下 2 座 悬索 桥 的性 能 标准 要 求 主缆 和 吊杆 没有 损害 在抗 拉强 度 内 索夹没 有 滑动 钢塔 仅限于轻微损伤 无局部失稳 摇轴支座没有损伤 在 其屈服 点 内 不 发 生 桥 塔 和 主梁 之 间 的 碰撞 损伤 伸缩缝连接处无损伤 这 2 座 大 桥 都 进行 了 SE E 级 场地 震 动 安 全评 估 2 座桥 在 SE E 级 纵 向 横 向以 及竖 向 的场 地震 动 同时激 励下 的地 震波 分别 如 图 7 图 8 所 示 JI1 Jl I目J lLIJ 研 3 00 2 00 l 00 O 1 00 2 00 3 00 l l 1 I 一 图 7 博斯普鲁斯大桥在 SE E 级场地震动激励下的地震波 I 0 l 4 0 0 3 0 0 2 0 0 8 100 10 3 0 0 邑 一 景 一 O O O O O 0 O 0 0 0 0 JlIIIIIIJl 山 I 山 一 IlII lI IIIl1 图 8 法提苏 丹穆赫迈特大桥在 SE E 级 场地震动激励下的地震波 3 5 非线 性时 程分 析 通 过 纵 向 横 向 以及 竖 向激 励 的三 维 非线 性 时 程 分析 对 大桥 关键 点 处 的位 移 时 程 以及 应 力 进 行 了计算 评估 2 座大桥在设定地震作用下的抗震性 能 土 耳其 国 家 公 路 管 理 局 进 行 的加 固分 析 结 果 相 比 较 加 固分 析结果 可从 国家 公路 管理 局 的项 目报 告 与 基本 设计 文 件 中获 取 对 比结 果 显 示 2 座 大 桥 在 伊斯 坦布 尔过 去发 生 的地 震 中显示 了 良好 的抗 震 为 了检 验 分析 的精 确度 将 计 算 结 果 与之 前 由 性 能 抗 震性 能评 估结 果如 表 7 表 8 所示 表 7 博 斯 普 鲁 斯 大 桥 的抗 震 性 能评 估 结 果 啪 0 向 纺 时 6 时 加 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 8 0 世 界 桥 梁 20 13 4 1 6 对 2 座悬 索桥 主梁 的控 制 点 位 移进 行 了研 究 法 提苏丹 穆赫迈 特 大 桥 主梁 纵 向 横 向以及 竖 向位 移 均在正 常范 围之 内 但 是博 斯 普 鲁 斯 大桥 在 纵 向 有 临界位 移 两 桥控 制点位 移如 表 9 所 示 表 9 两桥控制点位 移 m 博 斯普 鲁斯大 桥 主桥主 梁与 引桥 的结合 点处 的 伸缩缝容许值可从原 始图纸 中获得 其值为 1 070 m 从 表 9 中 可看 出 在 SE E 条 件 下 该 处 会 产 生 1 078 m的 位 移 主 梁 将 会 因 伸 缩 缝 处 的 碰 撞 而 破坏 3 6 博斯普鲁斯大桥推荐加固方案的时程分析 由 于在 博 斯 普 鲁斯 大 桥 上 发 现有 纵 向 临 界位 移 而且有 可能 会对 伸缩缝 造成 损伤 因此需 要研 究 限制主梁纵向位移的解决方案 但是该纵向位移非 常靠 近 限值 因而该 问题 比较容 易处 理 所 以考 虑使 用阻尼器 虽然阻尼器的使用会影响内部荷载的分 配 但 阻尼器 的主 要 目的是 为 了 减少 悬 索 结 构 的纵 向位移量 为此 决 定使 用 由钢制 E 形元 件 组成 的 迟 滞阻 尼器 迟滞 阻 尼器 特 性 参 数 有 屈 服 力 为 2 000 kN 最大塑性力为 2 300 kN 塑化之前的弹性位移为 14 7 m m 最 大塑性 位移 为 200 i 00 m m 将 迟滞 阻尼 单元 以 图 9 所示 的方式 设置 于 主跨 主梁 与桥塔 及边 跨 的 交接 处 再 对 博 斯普 鲁 斯 大 桥 进行 三维 非线性 时程 分析 通 过在 主梁两端 及桥 塔 交接处设 置 4 组 迟滞 阻尼器 将