大跨直立混凝土斜拉桥体系动力性能分析.pdf

第 3 9卷 ， 第 4期 2 0 1 4年 8月 公 路 工 程 Hi g hwa y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 3 9，No ． 4 Au g．， 2 0 1 4 大跨直立混凝土斜拉桥体 系动力性能分析 马兴峰 ( 湖南省大岳高速公路建设开发有 限公 司，湖南 岳 阳4 1 4 0 0 0 ) [ 摘要]大跨直立混凝土斜拉桥以其开阔的桥面视野、 优美的造型被我国诸多市政桥梁工程所采用， 然而， 相 比普 通大跨 钢斜拉桥 ， 该类桥梁存在 上部结构 自重大以及横向稳定 性的问题。本文以采用该造型 的某实例桥梁 工程为背景， 考虑了塔梁连接方式的不同： 固结体系、 漂浮体系、 弹性约束体系。分别研究了桥梁采用不同模型时 的动力特性， 分析结果表明， 固结体系的动力特性表现不如漂浮体系和弹性约束体系， 且在地震作用下更容易损 伤。尽管漂浮体系和弹性约束体系在地震作用下会产生较大位移， 但结构内力得到很大程序的减小。因此， 后两 种体系更加适用 于该类斜拉桥 。 [ 关键词 】斜拉桥 ； 动力 特性 分析 ； 地震 ；模态分析 【 中图分 类号 ]U 4 4 8 ． 2 7 【 文献标识码 ]A 【 文章编号 ]1 6 7 4 — 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 — 0 0 9 5 — 0 3 t Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s An a l y s i s o f Ve r t i c a l Lo n g - s p a n Co n c r e t e Ca b l e s t a y e d Br i d g e M A Xi ng f e n g ( D a y u e E x p r e s s w a y C o n s t r u c t i o n D e v e l o p me n t C o ． ，L t d ， Y u e y a n g ， H u n a n 4 1 4 0 0 0 ， C h i n a ) [ A b s t r a c t ]V e r t i c a l l o n g - s p a n c o n c r e t e c a b l e - s t a y e d b r i d g e w i t h i t s o p e n b r i d g e v i e w，b e a u t i f u l mo d e l l i n g i s u s e d b y ma n y mu ni c i p a l b rid g e c o n s t ru c t i o n i n Ch i na ．Ho we v e r ，c o mp a r e d t o c o mmo n l a r g e — s p a n s t e e l c a b l e - s t a y e d b r i d g e，e r e c t l o n g - s p a n c o n c r e t e c a b l e - s t a y e d br i d g e ha s l a g e r s u p e r s t ru c t u r e a n d l a t e r a l s t a b i l i t y pr o b l e ms ． I n t h i s p a p e r ，t a k i n g a brid g e o f t h i s k i n d f o r e x a mp l e，c o n s i de r t h e d i ffe r e n t wa y o f c o n n e c t i o n b e t we e n t o we r s：c o n s o l i d a t i o n s y s t e m ，flo a t i n g s y s t e m ，e l a s t i c r e s t r a i n t s y s t e m． T he s t u d y r e s u l t s o f d y n a mi c p e rfo r ma n c e o f t he b r i d g e wi t h di ffe r e nt mo d e l s s h o w t h a t d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f c o n s o l i d a t i o n s y s t e m i s wo r s e t ha n flo a t i n g s y s t e m a n d e l a s t i c r e s t r a i n t s y s t e m ，a n d d a ma g e mo r e e a s i l y u n de r t h e a c t i o n o f e a r t h q ua k e． Al t h o u g h fl o a t i ng s y s t e m a nd e l a s t i c r e s t r a i n t s y s t e m u nd e r e a r t h q ua k e a c t i o n wi l l p r o d u c e a l a r g e r d i s p l a c e me n t ，b u t t h e s t r u c t u r e i n t e r n a l f o r c e i s g r e a t l y r e d u c e d．Th e r e f o r e， t h e l a t t e r t wo s y s t e ms a r e mo r e s u i t a b l e f o r t h i s k i n d o f c a b l e - s t a y e d b r i d g e ． [ Ke y w o r d s ]c a b l e — s t a y e d b r i d g e ； d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s ；e a r t h q u a k e ； m o d a l a n a l y s i s 1 概述 中国是世界上斜拉桥数量最多 、 跨度最大的国 家 ， 斜拉桥 已成为 2 0 0—8 0 0 m跨度范围内极具竞争 力 的桥 型 0 j 。其 中， 钢 筋混凝土直立 斜拉桥 以其 开 阔的桥面视野、 优美 的造型 以及明确合理的受力 性能 ， 被我国诸多市政桥 梁工程所采用。通常情况 下 ， 斜拉桥混凝土索塔都设置有上下横梁 ， 以增加索 塔的横 向刚度以提高其稳定性 。为 了满足城市桥梁 的景观设计要求 ， 增加桥面行车的通畅性 ， 在设计中 采用不增设索塔上横梁的双直立索塔方案。索塔是 斜拉桥结构体系中的关键受力构件， 无论是在斜拉 桥的施工阶段还是在成桥运 营阶段 ， 索塔都将承受 多根斜拉索传来 的巨大压力荷载 ， 并且这些荷载往 往复杂多变而且影响结构 的稳定性 。 过 去的研究中， 有大量的学者对斜拉桥结构体 系的动力特性进行了比较分析 一 ， 并认为对于超 大跨斜拉桥 ( 一般为钢桥) 而言 ， 采用有 弹性约束装 置的弹性约束体系时对结构最有利。还有学者对该 类斜拉桥进行了动力优化分析 ， 其分析结果表明， 当 [ 收稿 日期】2 0 1 4 — 0 4 —1 4 【 作者简介】马兴峰 ( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 山东茌乎人 。 博士 ， 工程师 ， 主要从事公路 与桥梁建设与管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 万超 ， 等 ： 中央扣 对大跨 径 自锚式悬索 桥动力 特性的影响 1 0 7 ( 上接 第 9 7页) 作用时取值为 1 ． 7 ； C 。 为场地系数 ， 本 文算例桥 梁场地类型对应的值取 1 ． 0 ； C a 为阻尼调整系数， 由 于规范建议的斜拉桥动力分析阻尼 比为 0 ． 0 3 ， 因此 该值按规范计算为 1 ． 1 8 ； A为水平 向设计地震动加 速度峰值 ， 取值为 0 ． 1 g 。 由于斜 拉桥属 于 A类重要桥梁 ， 在 E l地震作 用下要求不能受损 ， E 2地震 也仅允许 出现 轻微损 伤 。因此在对本文算例桥梁进行反应谱分析时 ， 只 分析 地震作用下三种体系的受力特点和变形特 点。地震反应谱 的输入 方式全部采 用空 间输 入方 式 ， 即 1 ． 0纵向 +1 ． 0横 向 +0 ． 6 5竖向。三种 结构体系的塔底弯矩、 塔顶偏位、 主梁梁端位移在规 范 E 2地震作用下的最大响应值如表 2和表 3所示。 表 2 E 2地震最大位移 响应值 比较 T a bl e 2 The ma x i mum r e s p o n s e d i s p l a c e me n t a Ⅱe t e d b y E2 e a r t h q ua ke 由表 2可知 ：体系 1在 E 2地震作用下 的梁端 纵向位移最小 ， 仅有 2 ． 3 C lT I ， 而体 系 2的梁端位移 最大值达 2 9 ． 6 4 c m， 体系 3的梁端位移也达 l 7 ． 5 9 c m， 但相比于体系 2减少了 4 1 ％。塔顶纵向偏位情 况也 有类 似 的规 律 。值 得 说 明 的 是 ， 由于 在 建 模过 程中， 假定梁端横向约束非常强大， 因此梁端横向位 移均为 0 。而由于 3种结构体系结构的不 同主要表 现为纵桥向， 而不会影响塔顶的横 向偏位 ， 因此 3种 结构体系的塔顶横向偏位差不多。 表 3 E2地 震 塔 底 最 大 内 力 响应 值 比 较 Tab l e 3 Th e t o we r bo t t o m ma x i mum i nt e r na l f o r e e a f f e c t e d b y E2 e a r t hq u a ke 由表 3可知：体系 1在 地作用下的塔底 内 力都远远大于其它两 体系， 而体系 3的内力值与体 系 2相差不大。需要注意的是 ， 体系3在 E 2地作用 下的塔底轴力和 2方面的弯矩甚至比体系 2还要略 小 。 5 结论 本 文 的 分 析果 表 明 ， 对 于大 跨无 上 横 梁 直立 混 凝土斜拉桥而言， 梁塔 固结体系的动力特性不如漂 浮体系和弹性约束体系’， 尽管其在地震作用下梁端 位移很小 ， 但其塔底 内力较大， 容易产生地震损伤。 漂浮体系和弹性约束 体系的动力特性差不多， 而在 地震作用下 ， 弹性约束体系的抗震性能略高于漂浮 体系， 特别是在梁端纵向位移控制方面。因此 ， 在大 跨直立混凝土斜拉桥设计过程 中， 建议采用漂浮体 系或弹性约束体系， 且对梁端纵向位移有限制的情 况弹性约束体系最适合 ， 以上结论可为其它类 似桥 梁设计提供参考 。 [ 参考文献] [ 1 ] 杭 州钱塘 江大桥 通车 6 5周 年纪念大会 暨两岸 三地及 海外 华 人专家 “ 2 l世纪桥梁技术发展论坛”[ Z ] ．2 0 0 2 ． [ 2 ] 朴泷 ．大 跨度 斜拉 桥不 同动力分 析模 型 的比较 [ J ] ． 公 路 工 程 ， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 2 o o一 2 0 4 ． [ 3 ] 苗家武．超大跨度斜拉桥设计理论研究[ D] ． 上海 ： 同济大学 ， 2 0 o 6． [ 4 ] 陈永康 ，岳建彬．大 跨度混凝土斜 拉桥模态 与地震 响应分析 [ J ] ．西部交通科技 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 2 5—2 9 ． [ 5 ] 李建 中。 袁万城．斜拉桥减震 、 耗 能体系非线性 纵向地 震反应 [ J ] ．中国公路学报 ，1 9 9 8 ，1 1( 1 ) ： 7 1— 7 6 ． [ 6 ] 叶爱君 ，胡世德 ，范立础．斜拉桥抗震 结构系统 研究 [ J ] ． 桥 梁建设 ， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 1 —5 ． [ 7] 叶爱君 ， 范立 础．超大跨度斜拉桥 的横 向约束体 系 [ J ] ． 中 国 公路学报 ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 6 3—6 7 ． [ 8 ] 徐秀 丽，刘伟 庆 ，李安龙 ， 等． 斜拉桥结 构减 震设计优化 研究 [ J ] ．地震工程与工程振动， 2 0 0 6， 2 6 ( 2 ) ： 1 1 9—1 2 4 ． [ 9] 邵旭东 ， 程翔云 ， 李立峰．桥梁设计与计算[ M] ．北京 ： 人民交 通 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 1 O ] J T G ／ T B 0 2一 O l一 2 0 0 8 ， 公路桥梁抗震设 计细则 [ S ] ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m