高墩大跨连续刚构桥地震反应分析

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西南交通大学硕士学位论文高墩大跨连续刚构桥地震反应分析姓名：胡步毛申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：魏建东20080501 西南交通大学硕士研究生学位论文第lI页AbstractWi也thedevelopmentoftransportation，continuousrigid—framedbridgeswereextendedandappliedinbridgeengineering．Thesebridges剐孵lifelineengineering，oncedestroyed，itwill嘶nggreateconomiclosses．Itisnecessarytomakeananalysistotheseismicresponseofcontinuousrigid-framedbridges．Inthisthesis，takingYujiangbridgeastheresearchobject，basedonthebasictheoryoftheseismicresponseanalysis，twomethodsincludingresponsespectrumandtime-historyanalysisofearthquakeareappliedtoacontinuousrigid—framedbridge．Themaincontentinthisthesisincludes：1．Establishingfourcalculationmodelsofthebridge；consideringtheinfluenceofthepile—soilinteractionanddifferentsubstructure；analyzingthedynamiccharacteristicsofthefourmodelsrespectively．2．Theseismicresponseofthefourmodelswereanalyzedbyresponsespectrumanddynamictime-historyanalysismethods．Bychangingthespeedoftheearthquakewave，thetraveling-waveeffectwereanalyzed．3．Theinfluencesoftheverticalseismiceffect，pile—soilinteractionandtraveling—waveeffectofearthquakewavewerediscussed．Theresultsofseismicresponsebetweenthesinglethin—wallpiersmodelandthedoublethin-wallpiersmodelwerecompared．111emainconclusionsfromaboveinclude：(1)Settingdoublethin-wallpierschangesthesequenceofthevibrationmodeofthebridge，reducesthenaRffalfrequencyofthebridge，decreasestheshearandmomentofthebridgeandincreasestheaxialforceofthepiers．(2)Thepile-soilinteractionreducesthenaturalfrequencyandincreasesthedisplacementresponseofthebridge．(3)Comparedwiththeresultsofseismicresponseobtainedbyresponsespectrum，theresultsobtainedbytime—historyanalysismethodincreasesordecreases，weshouldadoptthelargerresultwhendesign．(4)Theinternalforceandthedisplacementofthebridgeincreasesordecreases谢tIlthedifferenceofthespeedoftheearthquakewave，weshouldchoice 。西南交通大学硕士研究生学位论文第1lI页thecorrespondingspeedoftheearthquakewaveaccordingtotheactualgroundsoilwhendesign．Itisexpectedtogivesomereferencesforpracticalseismicdesignofsimilarbridges．Keywords：rigid—framedbridge；analysis；traveling-waveeffect 西南交通大学囱南爻遭大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书；2．不保密√使用本授权书。(请在以上方框内打“4”)学位论文作者签名：榔昔也日期：夕以·彦·≯指导老师签名：躯蜱日期：尹孑6．> 西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新性是：通过建立动力学计算模型，通过对比分析的方法，考察了连续刚构桥不同的下部结构形式即单薄壁墩和双薄壁墩的地震反应。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1．1桥梁结构地震及震害分析地震是与地球构造运动密切相关的一种自然现象，它是伴随着地壳中的能量的释放而引起的地球表面的振动甚至强烈的运动。这种能量释放可能由于地壳某些部位的突然断裂、火山爆发及人为原因而引起，而绝大多数毁灭性地震是由于地壳的断裂而引起的。据统计，全世界每年要发生数百万次地震，但绝大多数地震由于发生在地球深处或所释放的能量很小而不为人们察觉。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。强烈地震发生时，地震区地面剧烈摇晃、颠簸，地面振动在很大范围内被感知，全世界都能用仪器测出[1】。地震会对地上或地下各种建筑物造成不同程度的破坏，常导致生命、财产和社会经济等损失。地震是严重危害人类的自然灾害，震害可分为直接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、桥梁、隧道、道路、水利工程等建筑构筑物以及自然环境，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他灾害和损失，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间接经济损失等。尤其是最近的40余年，全球发生了许多次大地震，其中多次破坏性地震都集中在城市，造成了非常惨重的生命财产损失。如1971年美国SanFemando地震(M6．8)，1976年中国唐山大地震(M7．8)，1989年美国LomaPrieta地震(M7．O)，1994年美国Northbridge地震以及1995年日本阪神大地震(M7．2)，导致的城市经济总损失(以当时的币值为准)分别为：lO亿美元，100亿人民币，70亿美元，200亿美元，1000亿美元【11【2】。大跨度桥梁通常是交通运输系统的枢纽工程，为生命线工程之一。地震发生时，生命线工程(一般指城市供水、供电、供气、电信、交通等基础设施)的破坏造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重。特别是对现代化城市，将影响其生产的运转，导致巨大的经济损失。国内外的地震灾害表明，地震区桥梁的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2页损坏坍塌，不仅阻碍当时的救灾行动，而且还严重影响灾后的恢复工作。随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通线的依赖性越来越强，而一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。几次大地震一再显示了桥梁工程破坏的严重后果，也一再显示了桥梁工程抗震研究的重要性。作为如此重要的公共设施，特别是作为交通枢纽的桥梁结构的安全性应该受到格外的重视。如何使桥梁结构在使用阶段具有足够的抗震能力和合理的安全性，始终是工程界、学术界十分关心的问题【1J【31。桥梁如缺乏正确的抗震设计，在地震时将产生严重的损坏。事实表明，世界上由于地震袭击而毁坏的桥梁数量，远远多于因风振、船撞等其他原因而破坏的桥梁。如我国在1975年的海城地震中618座桥梁(铁路桥182座，公路桥436座)中有193座遭到不同程度的损坏(铁路桥55座，公路桥138座)，占31．2％，其中有16座桥梁严重损坏，无法继续使用。在1976年唐山地震中，对京山、通沱、津蓟及南堡专用线的统计，遭受震害的铁路桥占总数的39．3％，其中严重破坏的占17．7％。唐山地区遭到不同程度破坏的公路桥占桥梁总数的62％，严重毁坏、倒塌的大、中桥有20座，占13％，天津地区遭到中等以上破坏的公路桥占总数的21％，严重毁坏的大、中桥有10座，占5％，可见损失相当大，而且对震后救灾造成极大困难【l】。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【3J~【5】：1、桥梁上部结构的震害。上部结构的震害多为上部结构的移位震害，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。地震时相邻梁体互相碰撞而导致梁体端部及附近桥面结构的破损。2、支座的震害。桥梁支承连接部位的震害极为常见，历来被认为是桥梁整体抗震性能上的一个薄弱环节。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的变化，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、落梁的震害。当桥梁在地震作用时，桥台倾倒或倒塌、河岸滑坡、地基 西南交通大学硕士研究生学位论文第3页下沉、桥墩破坏、支座破坏、梁体碰撞、相邻梁体发生过大相对位移等，就会导致落梁。资料表明，纵向落梁情形远多于横向，它占全部落梁总数的80％～90％，纵向落梁时，梁端撞击桥墩侧壁，同时冲击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。4、下部结构和基础的震害。下部结构的严重破坏是导致桥梁倒塌，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形式的破坏。通过对桥梁震害的进一步分析可以将桥梁的震害起因分为以下几类：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1994年美国的Northbridge地震和1995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。这些震害实例一再告诫我们要重视构造和连接措施的设计。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1990m的悬索桥主缆已架好，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1．4m，而主塔相对水平移位1．3m。不过，这一移位并不大(相对于1990m)，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，对于大跨度桥梁需考虑多点激励问题。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第4页曲延性不足引起的。1．2连续刚构桥的发展及抗震设计现状1。2．1连续刚构桥型简介刚构桥是桥跨结构(主梁)与墩台整体相连的桥梁，总的特点是墩梁固结，共同工作。根据主梁是否连续可分为非连续式主梁的刚构桥(也称之为T型刚构)和连续刚构。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。连续刚构桥梁，桥面系没有剪力铰或挂梁。其主梁一般采用变截面(高度一般按抛物线变化)预应力混凝土箱梁，桥墩一般采用双肢或单肢薄壁箱形截面。这种桥型有很多优点，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小。桥墩除承受压力外，也承受弯矩及水平推力。同时墩梁固结省去了大跨度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，施工过程无体系转换。抗震性能好，水平地震力可均摊给各个墩来承受，不需像连续梁设置制动墩承受，或采用价格较昂贵的专用抗震支座。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形刚构不设支座、无需体系转换的优点，旌工方便且具有很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度。因而具有较好的技术经济性。其缺点是，由于其超静定的结构形式，在混凝土收缩、徐变，温度变化，墩台不均匀沉陷和预应力等因素作用下都会在结构中产生附加内力[4115】【71。1．2．2连续刚构桥的发展20世纪中期以前，各国混凝土梁桥施工多采用满堂支架法，这种施工方法对中、小跨径桥梁施工尚能适应，但对大跨径及特大高度、水深较深的桥梁显然已不能适应。1953年，原联邦德国建成的沃尔姆斯桥(Worms)，主跨114．2m，施工时创造性地将钢桥的传统施工方法一悬臂拼装方法应用于预应力混凝土结构，这个创造性的引进基本解决了施工中的难题，而且更重要的是发展了预应力混凝土桥梁的一种新体系叫型刚构，并对其他体系桥梁产生了深远的影响。1964年，原联邦德国又建成了主跨为208m的本道夫(Bendor0桥，不仅 西南交通大学硕士研究生学位论文第5页再一次成功地显示出悬臂施工法的优越性，而且在结构上又有创新，薄型的主墩与上部连续梁固结，形成了带铰的连续刚构体系。70年代后，日本连续修建了类似的滨名大桥、浦户大桥。从此以后，由于平衡悬臂拼装方法与悬臂浇筑施工方法得到改进和广泛应用，加之预应力技术的普及和发展，使得预应力混凝土T型刚构得到极大发展。在20世纪60年代后期至70年代，T型刚构桥是预应力混凝土桥的～个主要桥型【711911101。在T型刚构桥发展的同时，该桥型本身的问题也不断暴露：T型刚构桥的墩梁固结的结构型式虽然可以抵抗其悬臂施工中的较大不平衡弯矩，但是为了抵抗施工中的不平衡弯矩和运营时活载或其它附加力产生的弯矩，其桥墩的抗弯刚度和抗推刚度都相当大。对于带铰的T型刚构桥，当预应力、混凝土收缩徐变和温度变化引起结构变位时，在墩梁固结处产生的推力和弯矩都很大。此外，铰处的折角造成行车时车辆波动，剪力铰也易损坏，带挂梁的T型刚构桥虽然缓和了行车，但是伸缩缝增多、牛腿构造复杂且易损害，在地震区存在吊梁震落问题，需要采取一定的防止落梁措施。这些均在一定程度上限制了T型刚构的发展和应用。随着我国高速公路的迅速发展，T型刚构桥已不能很好地满足高速公路行车平顺舒适的要求，因此连续梁桥得到迅速发展。但连续梁向大跨度发展时，需要设置巨型支座，费用高，养护工作量大，而且在施工中存在施工体系转换问题。为了同时解决以上矛盾，连续刚构桥应运而生，其结构特点是梁体连续、梁墩固结，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、无需转换体系的优点，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。因此近年来连续刚构桥得到快速发展【7】【8】。我国采用平衡悬臂施工方法建造的第一座预应力混凝土T型刚构桥是1965年建造的河南汤阴的五陵卫河桥，跨径组合为25+50+25米。主跨跨中设剪力铰，这座桥的建造带有试验研究性质。很快，这种施工方法就显示出了强大的生命力，1968年就建成了主跨跨径124米的广西柳州桥，1971年建成的主跨跨径144米的福建乌龙江大桥，值得一提的还有1981年建成的主跨跨径158米的湖北宜昌的葛洲坝三江大桥，目前国内最大的预应力混凝土T型刚构桥是1980年建成 西南交通大学硕士研究生学位论文第6页的主跨174米的重庆长江大桥。从T型刚构桥在国内的建设来看，我国的桥梁工程师更偏爱跨中带挂梁的T型刚构桥，从整体来看，这种形式是一个外部静定结构，温度和混凝土的收缩徐变均不对体系造成内力，设计的理论基础相对简单一些，但是不利于充分发挥平衡悬臂施工法的优势，还需要增加其它一些大型施工设备，这可能是国外发展较少和较慢的原因之一【ll】【121。我国自20世纪80年代中期开始引进连续刚构桥，1990年建成我国第一座大跨连续刚构桥——主跨180m的广东洛溪大桥，此后，我国建成了多座大跨连续刚构桥。1997年建成了当时世界第一跨径的广东虎门大桥辅航道桥(主跨270m)，该桥在预应力束的布置上，取消了弯起束和连续束，仅在边跨梁端有少量钢束因受力需要而部分弯起。这种布束方式，以竖向预应力和纵向预应力来克服主拉应力，确实极大地方便了施工，但由于竖向预应力钢筋一般施工质量不理想，甚至发现几乎完全失效的情况，由它引起的混凝土竖向压应力很可能达不到计算值，这样桥梁腹板的主拉应力就有可能超过规范的限值，从而导致腹板处出现斜裂缝；另外竖向预应力的施工较为困难。鉴于以上原因，现在曲线预应力筋又有了回归迹象。尽管在连续刚构桥的施工中存在上述问题，但连续刚构桥在近年来还是得到了较快的发展，在主跨150m"'300m范围内成为最常用的桥型之一【71【13】【141。随着我国交通事业的迅速发展，铁路和高等级公路开始在西北和西南地区大量修建，这些地区属山岭重丘区，山高谷深、地形复杂险峻，修建的桥梁往往桥墩很高，这与国外的情况有些不同。根据相关文献【15】介绍，虽然国外对连续刚构桥的研究起步很早，但很少见到墩高在60m以上的大跨连续刚构桥的有关报道。国内铁路桥中，西部地区的南昆铁路和内昆铁路均有多座高墩桥梁，其中南昆铁路清水河特大桥，最高墩高lOOm／16】：内昆铁路花土坡特大桥和李子沟特大桥，最高墩高分别达到llOm和107m[17】。国内公路桥中，沪蓉国道主干线上的龙潭河特大桥，该桥为106+3×200+106m的预应力混凝土连续刚构，最高墩高达179米，居国内梁式桥高墩之最；陕西洛河特大桥(跨度为90+3×160+90m)，最高墩高142m；云南元江大桥(主跨265m)，最高墩高123米。连续刚构桥的高墩多采用双薄壁柔性墩，但也有采用单薄壁矩形墩的，如 西南交通大学硕士研究生学位论文第7页南昆铁路清水河特大桥。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，其道数视墩高而定。我国以往为节省投资，在山区地带修建的高墩简支梁桥跨度较小，在外形上高墩与梁的跨径配合不够协调，极不美观。此外，桥墩和基础工程所占用的费用也比较大，相对与增大跨径减少下部工程和基础工程的合理协调的高墩大跨径连续刚构结构形式而言，也加大了工程投资。另外，由于要在高墩上架设吨位巨大的预制梁也非易事，其架桥设备昂贵，安全性也较悬臂浇注连续刚构桥要求高。高墩大跨连续刚构桥跨越能力大，受力合理，结构整体性好，造型美观且施工相对简单，其投资比斜拉桥、悬索桥低，也比一直认为最便宜的简支梁在同等条件下的投资偏低或相同，是一种极有生命力的桥梁结构形式。我国建成的高墩大跨连续刚构桥均体现出了巨大的经济效益和社会效益17J。目前，连续刚构桥正在朝结构更轻，跨度更大的方向发展。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。大吨位锚具、高强混凝土和轻质混凝土的采用，使得上部结构可以向更轻型化、跨度更大的方向发展。在很多刚构桥方案设计中，也出现了在桥梁跨中部分长度内使用钢箱代替混凝土梁从而减轻结构自重的设计方法，进而提高桥梁的跨越能力。1．2．3大跨度连续刚构桥抗震设计现状在多地震国家中，相应的桥梁抗震规范中对防止桥梁震害都规定有相应的对策。第一，规定桥位与桥型选择的原则以及处理对策，从宏观上控制桥梁震害的发生；第二，制定相应的桥梁结构抗震设计方法与抗震验算规定，增强桥梁结构抗震能力；第三，提供各种构造措施的处理原则与方法加强结构整体的抗震能力。世界各国抗震设计规范的制定除了跟抗震理论发展水平有关外，还跟各国经济发展水平密切相关，表1．1列出了一些主要国家的抗震设计规范【18卜【211。表1．1主要国家桥梁抗震设计规范适用范围比较规范名称适用范围破坏准则跨径小于150米的普通钢、混美国AASHTO-1995强度破坏准则(弹性阶段)凝土和箱梁桥 西南交通大学硕士研究生学位论文第8页美国加州交通运输部跨径小于150米的普通钢、混Caltrans(1999)凝土和箱梁桥强度破坏准则(弹性阶段)新西兰规范NZ钢、钢筋混凝土梁和预应力混理论强度、可靠强度、超强Code(1994)凝土梁桥度由桥墩或桥台的弯曲来抵抗欧洲规范EuroCode水平地震作用的桥梁抗震设计，也即是竖向支撑系统的桥强度破坏验算及位移控制Part8(1994)梁抗震设计，对跨径没有限制，但不包括悬索桥中国公路工程抗震设计跨径不超过150米的钢筋混凝土和预应力混凝七梁桥、污工强度验算规范(1989)或钢筋混凝土拱桥I、II级铁路，跨度小于150的中国铁路工程抗震设计钢梁及跨度小于120m的钢筋混强度验算、延性设计规范(1989)凝土和预应力混凝土梁式桥，钢筋混凝土墩台在总结世界各国抗震设计经验的基础上，结合我国的现实情况，我国提出了“小震不坏，中震可修，大震不倒"的三级设防标准。即：地震水平I：遭受到低于本地区抗震设防烈度的多遇地震(小震)影响时，桥梁一般应不受损坏或不需修理仍能继续使用；地震水平II：遭受到相当于本地区抗震设防烈度的地震(中震)影响时，桥梁只发生有限损坏，经及时修理就可继续使用，而上、下部结构连接不受损伤；地震水平III：遭受到高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震(大震)影响时，桥梁结构严重破坏，但不致倒塌，仍可在加固后恢复交通。目前，我国工业与民用建筑抗震规范已采用二阶段抗震设计方法实现三个准则的要求，铁路桥梁也加进了部分延性设计的相关内容，但公路桥梁抗震设计规范仍采用以反应谱理论为依据的第一阶段抗震设计方法，正在开展研究向二阶段设计方法过渡。而且，我们还可以从表1．1看出，目前世界上大多数国家现有的桥梁工程抗震设计规范只适用于中等跨径的普通桥梁，超过使用范围的大跨径桥梁则无规 西南交通大学硕士研究生学位论文第9页范可循。许多学者在刚构桥的地震反应分析方面作了很多研究，张伟，刘建新，张茜，卢启焊【22】通过对洛河特大桥的研究，得出的结论是在桥梁抗震分析中必须考虑场地土对桥梁动力特性的影响，在考虑桩一土相互作用时，自由场地土的质量、土层的厚度、桩一土相互作用弹簧刚度以及上层剪切弹簧刚度等因素将对抗震分析的精确度产生很大的影响。并且指出矮墩的内力比高墩大得多，在罕遇地震作用下墩底出现了塑性铰。史小伟，李黎，杨军，夏正春12副对龙潭河特大桥进行了地震反应分析，重点考察了地震动空间变异性对地震反应的影响，主要考虑了几何不相干性和行波效应等因素，得出的结论是与一致激励相比较，地震动的空间变异性对龙潭河大桥在地震作用下的动力反应具有较大的影响。王蕾，赵成刚，王智峰【24】进行了考虑地形影响和多点激励对大跨高墩刚构桥地震响应影响的分析。论文指出：山峰的高宽比及地震波入射角度对桥墩的位移及内力响应影响较大，设计时这两种因素不可忽略。地震波以00、150、300、600四种入射角入射时，考虑地形影响的墩底、墩顶内力和墩顶的纵桥向位移均较仅考虑行波效应时有明显增大，但入射角增大至600以上时，地形放大效应影响有所减小。浙江大学的丰硕，项贻强，汪劲丰【25】对苏通长江大桥辅航道刚构桥(跨度为140+268+140m)进行了地震分析，论文考虑了结构自重的几何非线性影响和桩一土的影响，进行了多支承激励地震分析，结果表明：对于有较大粘土覆盖层的地基来说，桩一土效应对横向反应影响很大；行波效应削弱了该桥的位移反应，但对内力响应基本上是不利的，对于波速较小的软弱场地土地基，行波效应更显著。天津大学的李忠献，史志利126J对某四跨连续刚构桥进行了行波激励下的地震反应分析，并与一致地震激励下的计算结果进行了比较，得出的结论是考虑行波效应后连续刚构桥的主梁会产生不利影响。论文还指出考虑行波效应比仅考虑一致地震输入前进了一步，但无法考虑地震波型的变化和频散性，因而其分析结果也有一定程度的局限性。更为合理的方法应当把地震过程当作随机过程，考虑行波效应、部分相干效应和局部场地效应的影响，建立随机地震动模型，按多点激励的地震输入模式对大跨度桥梁结构进行地震反应分析。兰州铁道学院的杨子江，赵会东，周世军【2。7】对南昆铁路板其二号大桥进行了地震反应分析，该桥梁体中心线位于半径为450．15m的圆曲线上，通 西南交通大学硕士研究生学位论文第1O页过分析，曲线刚构桥由于“弯扭耦合”的存在，面内振型和面外振型出现耦合，所以顺桥激励也产生较大的横向剪力和面外弯矩、扭矩。在刚构桥抗震、减震方面，目前比较可行的控制对策有采用隔震技术，改变桥梁的动力结构体系，采用专门的阻尼器和减震器等【2钔。郭薇薇，夏禾【29】研究了边支座纵向弹性约束对大跨度连续刚构桥地震反应的影响，通过计算分析，得出结论为边支座纵向弹性约束的大小直接影响整体结构顺桥向自由振动的特性，对边支座施加纵向弹性约束使梁的轴力增大，而弯矩和剪力减小，对整体结构的抗震是有帮助的。王常峰，陈兴冲，夏修身【30】对刚构桥抗震设计中的一些参数进行了优化研究，指出设计时应对桥墩厚度进行优化设计，使桥墩具有良好的延性，提高桥梁的抗震性能。单德山，李乔1311对铁路曲线梁桥进行了抗震设计分析，论文指出曲线梁桥在地震动作用下，其内力和位移是互相耦合的。曲线连续刚构桥的边跨支座应采用抗扭支座，且最好约束径向位移，以增强曲线梁桥的横向抗震能力。史志利，张建华，李忠献1321对磁流变(MR)阻尼器进行了研究，采用被动控制、半主动控制和主动控制策略进行了刚构桥的抗震分析，得出的结论为MR阻尼器控制系统对地震波的频谱特性较为敏感，不同地震波激励时，控制效果并不相同。当采用半主动控制时可取得较好的效果。同时也指出由于MR阻尼器通过调整磁场的强度来调整阻尼力，因此不可能在任意瞬时都达到理论上的最优主动控制力，而只能通过调整MR阻尼器使它所产生的阻尼力向最优主动控制力靠拢。因此在实际应用中，对结构进行主动控制是很难实现的。亓兴军，李小军，卢澍驯对某4跨连续刚构桥梁进行了行波输入下的振动控制数值模拟，采用不同的振动控制方法比较减震效果，认为行波效应对连续刚构桥梁纵桥向振动控制的减震效果有显著影响，行波输入使各种振动控制方法的减震效果均明显降低，有些振动控制方法反而会增大桥梁地震反应。近年来，减隔震支座装置在我国也较快地发展起来。新西兰的科研人员在1975年率先开发出了新型的减隔震装置——铝销橡胶支座，大大推动了减隔震技术的实用化程度，引起了许多国家的注意，开始大量应用于实际建筑和桥梁结构中，并且部分减隔震桥梁和建筑己经经受了地震的考验，证明其具有良好的减震性能。我国北京交通大学的杨风利【34】和长安大学的于泳、波【351本别在其博士论文中对这种新型支座在铁路桥梁和公路桥梁中的应用进行了深入的研 西南交通大学硕士研究生学位论文第11页究。与中等跨径普通桥梁相比，大跨度连续刚构桥的地震反应比较复杂，又没有可遵循的抗震设计规范，相应的抗震设计也比较复杂。如高阶振型的影响比较明显，以及需要考虑多点激振、各种复杂的非线性因素、桩一土一结构相互作用等，更需注意的是，对于不同类型的桥梁结构体系可能有着截然不同的计算结果。因此实际计算时只能针对具体的桥梁结构进行具体的分析，不能一概而论【36】～【38】。因此，大跨度连续刚构桥的抗震设计目前还比较困难。由于国内大部分设计单位对桥梁抗震缺乏研究，只能请专业研究人员代劳，由于工程项目建设期短，而专业科研人员又不能参与设计，尤其是对桥梁抗震性能起决定作用的方案设计，只能被动地进行桥梁结构在地震作用下的强度变形验算，所以大跨度连续刚构桥地震反应分析就显得非常重要。1．3本文工程背景和主要研究内容1．3．1本文工程背景介绍为了加快西部地区的发展，推进西部地区的经济建设，国家重点工程“西部开发省际公路通道"重庆至长沙公路开始实施。该线路连接西部直辖市重庆和中部湖南省会长沙，建成后将成为我国横向重要交通干线。由于该线路深入西南山区地带，势必跨越许多深沟大河，其中彭水至武隆段线路将跨越郁江，郁江河谷深切，两岸谷坡陡峭，呈“V"字形。郁江大桥横跨郁江，桥梁全长496米，最高墩高88m，主桥为90+160+90m三跨预应力混凝土变截面连续刚构桥。全桥布置图见图1．1。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12页图1．1郁江大桥桥型布置图(单位：cm)根据《中国地震动参数区划图》(GBl8306．2001)，测区地震动峰值加速度为0．059，根据《公路工程抗震设计规范》(JTJ004．89)，本区基本烈度为Ⅵ度。考虑到工程的重要性，根据规范要求，拟建大桥按地震基本烈度Ⅶ设防，其设计地震动峰值加速度为0．19。郁江大桥最大跨径160m，最高墩高88m，均超过规范的适用范围，所以应对其进行特殊计算。由于现在西南地区的交通建设日益加快，类似的高墩大跨桥梁肯定会越来越多，所以对其进行系统的地震反应分析有很大的现实意义，对以后类似桥梁的抗震设计也有一定的参考价值。1．3．2本文研究的主要内容本文在简述地震反应分析基本理论的基础上，以郁江大桥为工程实例，运用通用有限元程序对其进行地震反应分析，主要研究内容包括：l、按是否考虑桩一土效应和不同的下部结构形式即单薄壁墩和双薄壁墩，建立4种动力学计算模型并计算其动力特性；2、按照地震设防烈度，按是否考虑竖向地震动建立两种工况，对每种模型进行规范反应谱分析；3、采用强震记录对每个模型进行一致激励下地震时程反应分析，并分别输入不同波速的地震波，对其进行行波效应分析；4、通过计算，考察竖向地震动对结构地震反应的影响；比较连续刚构桥采用不同下部结构形式即单薄壁墩和双薄壁墩的地震反应；讨论桩一土一结构相 西南交通大学硕士研究生学位论文第13页互作用对刚构桥地震反应的影响；对比反应谱法和时程分析法两种方法的结果，讨论两种方法的差异；采用大质量法激振实现行波效应，并与一致激励得到的结果进行对比分析，讨论行波效应对大跨度连续刚构桥地震反应的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14页第2章桥梁结构地震反应分析方法2．1概述结构地震反应分析分为两种：一种是以地震运动为确定过程的确定性地震反应分析，另一种是以地震运动为随机过程的概率性地震反应分析。目前概率性地震反应分析方法还不成熟，世界各国的桥梁抗震设计规范中普遍采用确定性地震反应分析方法【11121。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，在采用有限元法时，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。结构地震反应分析方法的演变依赖于地震理论的发展。地震理论也称地震作用理论，它研究地震时地面运动对结构产生的动态效应。随着地震作用理论的演变，产生了三种确定性地震反应分析的方法，即静力法，反应谱法和动态时程分析法。经过多年的发展，桥梁结构地震反应分析存在一些关键问题，即‘a)桥梁结构系统力学模型的准确建立及振动方程的求解，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；b)选择合适的计算方法求解地震振动方程以得到地震反应，常用的有振型叠加法和直接积分法；c)选择合适的地震记录和输入模式，地震动输入一直是结构地震反应分析里的重点，通常采用一致激励输入法，有时需采用考虑场地效应的多点激励法，在地震波的选取上，目前常用的方法有直接采用天然地震波和人工合成地震波两种方法。2．2静力法1900年，日本大房森吉提出静力法的概念。此法假定结构物各个部分与地震动具有相同的振动。结构上作用着由地面运动加速度乘以结构物在地震作用下质量M所产生的惯性力，把惯性力作为静力作用于结构上进行抗震分析，计算公式为【lJ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第15页●●”“yF=万M=万二二=K形(2．1)gn式中，矽为结构物各部分重量，K为地面运动加速度峰值与标准自由落体加速度2。的比值。1915年，日本佐野倡导震度法，即根据静力法的概念提出以结构10％的重量作为水平地震荷载，于1923年关东大地震后的次年建立了最早的桥梁下部结构工程的抗震方法。随后于1926年，又对汽车荷载，包括地震荷载都作了明文规定，汇编成了《关于公路桥梁细则草案》，它按不同地区把地震分为0．15-0．4。美国在1906年旧金山大地震后，将风力增加至301b／铲(约15№2)作为设计地震荷载，于1927年也引入规范。从动力学的角度，把地震加速度看作是结构地震破坏的单一因素有极大的局限性，因为这忽略了结构的动力特性这一重要因素。只有当结构物的基本固有周期比地面运动卓越周期小很多时，结构物在地震振动时才可能几乎不产生变形而可以被当作刚体，静力法才能成立，如果超出了这个范围，就不再适用。静力法以地震荷载代替结构在地震强迫振动下的激励外因，作用于结构计算静力效应代替结构在地面运动激励下的动力效应。对工程设计人员来说，很容易接受地震荷载这一量度，但它常导致对结构抗震能力的错误判断。由此看来，静力法虽然简单，但适用范围很小，现在几乎不再使用。2．3反应谱法2．3．1反应谱概念反应谱理论考虑了结构的动力特性和场地条件的影响。对单自由度结构，已知结构的阻尼比，对给定的地震输入，按结构固有周期变化的结构最大地震反应值组成的曲线，称为反应谱。反应谱有速度反应谱，位移反应谱和加速度反应谱。为数较多的若干地震记录的反应谱曲线的平均化、光滑化可得到设计反应谱。反应谱法是当前结构抗震设计中广泛使用的方法，它是采用“地震荷载"的概念，从地震动出发求结构的最大地震反应，同时考虑了地面运动和结构的动力特性，比静力法有很大的进步。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16页美国在1925年SanBabara地震后提出了地震系数的概念，1933年长滩地震后颁布了抗震设计的侧力系数，1937年进行了修改与补充，逐步考虑动力特性，但也还是静力法的模式。但那时，因多次地震灾害已使人们认识到，查明地震动力特性是确立合理抗震计算理论必不可少的依据。从20世纪30至40年代，美国进行了强震观测网的布置，并在1940年成功地收集了包括E1．ccn扫。地震在内的大量地震加速度记录资料，为抗震计算动力法的建立提供了宝贵的科学资料。1943年M．A．Biot提出了反应谱概念，1948年GW．Housncr提出基于反应谱理论的抗震计算的动力法。至1958年第一届世界地震工程会议后，这个方法被许多国家采纳在相应的工程结构抗震设计规范中fl】139]H01。反应谱方法用于抗震计算包括三个基本步骤：第一步根据强震记录统计分．析出用于设计的地震动反应谱；第二步是将结构振动方程进行振型分解，将位移用振型广义坐标表示，而广义坐标的最大值由第一步中所得的反应谱求得；第三步，各项反应量的最大值可通过适当的方法将各振型反应最大值进行组合得到。由它的计算方法，可以看出反应谱理论是建立在以下基本假定的基础上：1、结构的地震反应是线弹性的，可以采用叠加原理进行振型组合；2、结构物所有支承处的地震动完全相同；3、结构物最不利地震反应为其最大地震反应；4、地震动的过程是平稳随机过程。反应谱方法的优点是：概念简单，计算方便，可以用较少的计算量获得结构最大反应值。当根据规范或者地震危险性分析获得场地所需的地震谱以后，计算工作主要集中在将结构振型方程进行分解，再通过适当的方法将各振型反应最大值组合起来得到结构反应的最大值。此外，地震动的能量主要集中在20Hz以下的频带，应用反应谱法，只取少数几个低阶振型就可以求得较为满意的结果，计算量少。再者，反应谱法将时变动力问题转化为拟静力问题，易于为工程师所接受。但根据反应谱法的计算方法和计算假定，也可以看出有以下缺点：l、假定所有支承处地震动完全相同，不能考虑多点激励，这对于复杂地质条件的大跨度桥梁将带来局限性。如主墩设在不同地质条件的地基上或主墩之间距离较长时，这时应当考虑多点输入地震动，显然反应谱法无法做到这一点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17页2、不能进行非线性地震反应分析。到目前为止，反应谱理论只限于线弹性范围，还没有真正意义上的弹塑性谱曲线。结构进入塑性阶段后，结构的延性将起到耗能作用，会减弱地震反应。但目前在地震力计算中只引入结构综合影响系数C，，以考虑结构的延性耗能作用，但C，取值依据尚欠科学，取值的分类过于笼统，难以确切反映影响结构延性的各种因素。3、计算结果只能给出最大反应值，而不能给出发生反应的全过程。在抗震设计中最大的内力反应是最受关注的，但相邻截面的最大反应或即使在同一截面上各个内力的最大反应发生的时刻各不相同，在结构强度或应力验算中应取发生在同一时刻的反应值，这一点反应谱分析无法做到。4、长周期结构采用规范设计反应谱或由地震危险性分析给出的场地设计反应谱计算所得到的地震反应结果偏大，反应谱长周期部分难以确定。5、当所取的频率阶数不足时，会使某些截面的反应值失真，导致不安全的结果。这种情况发生在对结构某些部位的反应贡献最大的振型出现在高阶范围时。为了克服上述不足，扩大反应谱法的应用范围，国内外许多学者对反应谱法进行了多方面的研究，并取得了一定的成果。主要集中在：长周期反应谱的确定：非均匀地震动输入下的反应谱方法；非弹性反应谱等。但是，上述方法在具体应用上还有许多有待解决的问题。目前，大多数国家除对常用的中小跨度桥梁仍采用反应谱方法计算外，对重要、复杂、大跨的桥梁抗震计算都建议采用动态时程分析法。但反应谱法在大跨度桥梁抗震设计中还是有一定应用价值的，因为大跨度桥如大跨度斜拉桥、悬索桥等造价很高，而且一般均为交通干道的枢纽，此类桥梁结构若在地震中发生大的破坏将导致巨大的经济损失。因此我们认为，大跨度桥梁的主体结构应在未来地震中不发生大的破坏，基本在弹性或轻微非弹性状态工作。但边跨以及附属构件应容许发生较大破坏，可以应用延性设计概念14011411。2．3．2反应谱基本原理一个单自由度振子，其基底受到地面运动加速度为占的地震作用。根据达郎贝(D．Alemhert)原理，单自由度振子的振动方程可以表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18页聊(否g+；)+c多+砂=0(2．2)惯性力(取决于绝对加速度艿g+y)、阻尼力(与相对速度Y成比例)和弹性恢复力gy(与相对位移y成比例)应保持平衡。整理后，可得：y(f)+2考功J，O)+彩2y(t)=-69(2-3)式中，阻尼比f=c／c。=c／(24-历)，其中，Ccr为临界阻尼，CO为无阻尼圆频率定义为国=√告。对上式运用杜哈美(Duhamal)积分可得：y(f)=一1。dSe一似H)嚣。)sill哟(，一f)办(2-4)式中，有阻尼圆频率线=√1一f2。对式(2．4)微分一次和两次可得到单质点振子地震相对速度和相对加速度反应的积分公式：yi归∥叫叫等s证纨(t-r)-cos纨∽，卜协5，戈，=纪。p一伽(I—f’吾：cf，{[t一(考]2]sintod(t-r)+2纪‘。"a)cosrod(t-r)}df_6文f，一般情况下，结构阻尼比很小，所以CO≈O)d，因此，式(2—5)，(2—6)就可以简化为：yif)=一ie-备(。(t-r)嚣(f)c。s％(f—f)如(2-7)戈)=纨Ie-和(t-r)嚣(f)sin％(卜f)df一《r)(2．8)由于地震加速度以(f)是不规则的函数，一般可采用数值积分的办法来求得反应时程曲线。对不同周期和阻尼比的单质点体系，在选定的地震加速度t(f) 西南交通大学硕士研究生学位论文第19页输入下，可以获得一系列的相对位移y(，)、相对速度y(f)和绝对加速度万。(f)+y(f)的反应时程曲线，并可从中找到它们的最大值。以不同单自由度体系的周期Z为横坐标，以不同阻尼比f为参数，就能绘出最大相对位移、最大相对速度和最大绝对加速度的谱曲线(简称反应谱)，分别称为相对位移反应谱(So)、拟相对速度反应谱(品)和拟加速度反应谱(SA)。在相对速度和加速度谱前面加上“拟"字是因为忽略了f值较小的影响。三个谱存在下列关系：驴扣2丢s矿}p9，％彩}(2-9)S月=国；品≈国2SD=笳矿j上式中三个谱关系是近似的，对于中频及高频体系，拟速度差不多等于最大相对加速度，但对于频率很低的体系，两者差别甚大，这主要反映式(2．2)与(2．5)的积分值的差别。从低频到高频，拟加速度与最大加速度之间的差别都不大。对于接近刚性的体系，国一∞，最大加速度s月专以，峨：对于接近高柔的体系，(-0—0，最大相对位移％一以，一：在其间，体系反应均将大于地面运动相应最大值，放大系数随阻尼比增加而递减。2．3．3反应谱理论的地震力计算(1)单质点体系的最大地震力计算对结构抗震计算来说，我们最关心的是地震力的最大值。对单质点体系，最大地震力计算式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第20页P=研p轧2mg”(2-10)=knpw式中，‰为标准自由落体加速度，形为体系的总重量；％定义为水平地I．．叫震系数，根据抗震设防烈度选用，如7度设防取o．1；∥：曼：垤!l坚定义。％蚓I。Im勰为动力放大系数，根据选定的反应谱曲线及体系的自振周期确定。(2)∥谱曲线的确定对于特定某一地震波而言，S。的反应谱总是成锯齿状，其次，一个反应谱总是相应于一定的体系阻尼比的。因为地震波是随机的，所以只有在大量的地震加速度记录输入后所绘制的众多反应谱曲线的基础上，经过平均与光滑化后，才可得到平均地震反应谱。1959年，Housner发表了第一条标准反应谱，其反应峰值位置乃相对于地震波的卓越周期。所以，结构地震反应从动力学观点，是以卓越周期为主要成份的地震波对支承激励下的结构强迫振动。结构物所处的场地土特性是不相同的，因而规范在制定标准∥反应谱时，必须根据场地土分类，分析相应于场地土分类的平均∥反应谱的规律，作出它们的平均或外包的谱曲线。我国《公路工程抗震设计规范》(JTJ004．89)所采用的标准谱曲线，分四类场地土，如图2．1。誉l。_1一IL+一”，g。p—阵V000旷儿萋l。川叫一g 西南交通大学硕士研究生学位论文第21页U．ZU斗0图2．1动力放大系数13说明：场地土系指构造物所在地的土层。分为四类：I类场地土：岩石，紧密的碎石土。II类场地土：中密、松散的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂。III类场地土：松散的砾、粗、中砂，密实、中密的细、粉砂。Ⅳ类场地土：淤泥质土，松散的细、粉砂，新沉积的粘性土。(3)考虑综合影响系数C，上述讨论的反应谱是以弹性体系为讨论对象，所以称为弹性反应谱理论。结构在地震作用下，一般均进入弹塑性阶段，但至今各国规范主要应用的是弹性反应谱理论。结构在地震作用下，进入塑性阶段，结构的延性将起耗能作用，会减弱地震反应。因而在地震力计算中引入结构综合影响系数C：，以反映理论计算与震害现象之间的差异，而主要是考虑结构的延性耗能作用。各国规范对C：的取值大约在1／IZ和l／√2∥一1之间，∥为延性系数。我国桥梁抗震有关规范对单质点体系采用反应谱理论的地震力计算公式的一般形式为：P=C：％∥形(2—11)(4)多质点体系的地震力计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第22页多质点体系可以应用单质点体系的设计标准∥反应谱计算地震力。当刀个质点体系地震振动时，其振动方程可类似式(2．2)，采用矩阵式表达：阻p)+【Cp)+k弦}=一阻№}覆(，)(2-12)式中，【M】、[C】和[K】分别为刀质点体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，妙}为质点对地面的相对位移矢量，为时间r的函数。上述联立微分方程组通常可用振型分解法求解，即利用振型的正交特性，将联立微分方程组分解为相互独立的振动方程，将多质点的复杂振动，分解为按各个振型的独立振动的叠加。则第，质点水平方向上，由第j振型引起的最大地震力为：PiI=kMpyi咖ilwi(2-13、)舭舻㈣m删删嬲数。在引入结构综合影响系数C，后，(2．13)式写为：Pii=CzkH|Byi牵ilW}(2-14)需要注意的是，以各个振型为独立振动方程所求得各项反应最大值的时刻并不都是相同的，因此各个振型上所求得的最大反应值需要通过一定的方法进行组合，目前常用的反应谱组合方法有以下几种：1、完全二次组合法(CQC)CQC法来源于随机振动理论，它有三条基本假设：a、地震动为平稳随机过程；b、地震动为宽带过程；c、平稳随机过程的性质对其峰值因子的影响不显著。CQC法表达式为：斤i——————一尺懈=、／手零岛Rj，m艘R，。麟(2-15)Y，，’，’式中，Po为模态组合系数。对于所考虑的结构，若地震动可看成为宽带随机过程(通常的结构可以近似满足这一要求)，则白噪声下的岛值是实际情况下的一个良好近似，此时： 西南交通大学硕士研究生学位论文第23页岛=再秽篡鬻篝‰协㈤旷百iF石历可石可硫万孬两旺。1¨2、平方和开方法(SRSS)体系的自振频率相隔越远,(2-16)中的岛值越小。如当号<盏(i勺)，则乃