华中科技大学硕士学位论文某大跨连续刚构桥的抗震研究姓名：史小伟申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：唐家祥;李黎20050423I摘摘 要要 近年来，随着我国桥梁工程的迅速发展，桥梁的跨度越来越大，桥塔越来越高，体系也越来越柔，这对大跨度桥梁的抗震研究提出了许多新的课题。龙潭河大桥位于沪蓉国道湖北西段，其最高墩高达 179m，是目前同类桥梁中最高的。本文以此工程为背景进行了抗震分析问题的一系列研究，主要包括以下内容： 本文首先分析了目前大跨度桥梁抗震研究的现状以及存在的问题，然后根据约束混凝土的应力应变关系， 使用条带法， 编写了桥墩塑性铰截面的NM关系曲线程序，推导了压弯构件两折线恢复力骨架曲线的刚度，讨论了高墩塑性铰截面的延性特性。 其次，本文讨论了地震波的选择以及输入问题，根据 O.Ramadan 等人提出的方法，分一致激励、同时考虑行波效应和几何不相干性、仅考虑行波效应、仅考虑几何不相干性等四种工况，分别合成了各墩墩底的人工地震动位移时程，比较了合成效果，最后介绍了结构在多点激励下的动力方程。 随后，使用通用有限元程序 ANSYS，采用 Combin40 单元模拟塑性铰截面的材料非线性性能建立全桥的空间有限元模型， 并推导了 Combin40 单元的M两折线刚度的计算方法。选择两条天然地震动加速度波和人工合成的一致激励地震动位移时程进行输入，研究了高墩在罕遇地震作用下顺桥向和横桥向考虑非线性的抗弯以及抗剪性能。最后，使用合成的人工地震动沿顺桥向输入，对四种工况下高墩的内力反应进行了对比分析，比较了地震动空间变异性对此桥在罕遇地震作用下反应的影响，得到了一些有益的结论。 关键词：关键词：大跨连续刚构 材料非线性 地震动空间变异性 人工地震波 抗震性能 IIAbstract In recent years,with the development of bridge structure,the span becomes longer, the height of pier becomes higher and higher,and framework becomes more and more flexible,which presents many new problems in the studies on the aseismatic design of long-span bridge.Long Tan River bridge is situated on the Hu-Rong national highway in the west of Hubei province, and one pier of the bridge is 179m high and has broken the world record.This article makes a series studies on aseismatic behavior by taking this bridge as example,and the major content is as following: At first, the state of the art of aseismatic research of long-span bridge is presented, and based on the stress-strain relationship of combined concrete, the axial force-moment-bending ratio relationship of the pier section is obtained by using the strip method. Then a bilinear skeleton curve model of the combined concrete section is drawn from the relationship curve, additionally, the ductility characteristic of the bridge pier plastic hinge sections is also calculated and studied. Secondly, the seismic wave selection and input are discussed. By using the theory of O.Ramadan, four kinds of man-made seismic displacement wave are produced respectively on consistant excitation,traveling wave,geometric incoherency effect,both traveling wave and geometric incoherency effect. At last, the dynamic equation of multipoint excitated structure is introduced. Thirdly, by using the general-purpose FE software ANSYS, the spatial FE modal is established and the non-linear property of material of plastic hinge section is simulated by using Combin40 element, then how to get the bilinear skeleton curve of moment-twist is derived. Two natural acceleration seismic waves and one man-made consistant excitation seismic displacement wave are input resceptively in the lognitudinal and transverse direction, then the non-linear bending and shearing resistance of the high pier excited by rare earthquake are analysed.At last, four kinds of man-made earthquake waves are input, the internal force in the hige pier is analysed, the influence caused by spatial variation of seismic ground motions is compared, and some useful results are obtained. IIIKeyword:long-span continuous rigid-framed bridge;material nonlinear; spatial variation ;man-made seismic wave;aseismatic behavior 1 1 绪论绪论 1.1 大跨度桥梁抗震设计现状大跨度桥梁抗震设计现状 我国是一个多地震的国家，自唐山地震以来，抗震防灾工作正日益受到重视。随着我国经济实力的增强和交通发展的需要，继上海南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥、广东虎门大桥、江阴长江大桥、南京二桥、青州闽江大桥等大跨越江工程之后，又开始兴建润扬长江大桥，规划苏通长江大桥以及其他跨海工程，如长江口、渤海湾口工程。在这些特大型工程纷纷上马的同时，地震灾害近几年也在我国东北、西南和西北部频颁发生。据专家们预测，我国正面临一个新的地震活跃期。 目前，国内外现有的绝大多数桥梁工程抗震设计规范只适用于中等跨径的普通桥梁，超过适用范围的大跨度桥梁的抗震设计，则无规范可循。我国公路工程抗震设计规范只适用于主跨不超过 150m 的梁桥和拱桥；我国铁路工程抗震设计规范虽没有说明跨径范围， 但说明“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”。1996 年美国颁布的 AA3Hm 规范（第 16 版）的抗震设计篇中也规定，该规范只适用于普通钢、混凝土梁与箱梁桥，主跨不超过 150m，不适用于斜拉桥、悬索桥、拱桥以及活动式桥。1993 年的欧洲规范（EUROCODE8）原稿中没有规定主跨范围，可适用于梁桥和斜拉桥，但拱桥和悬索桥除外。日本道路桥梁规范（抗震设计篇）“适用于跨径小于 200m 的桥梁，对超过 200m 跨径的桥梁可以参考使用本篇有关规定”1。 以下是一些国内已建或者在建大型桥梁在地震方面所做的研究： 江阴长江公路大桥是一座大跨度悬索桥，大桥主跨 1385m，不同场地条件和不同的基础形式导致了大桥抗震分析的复杂性。胡世德、范立础2等使用动态时程分析的方法，分析了大跨度桥梁地震波输入的行波效应、北岸主塔桩基础与土合结构的相互作用、地震波的多点输入等问题，经过研究发现：考虑桩-土-结构相互作用后，使结构变柔，内力反应减小，但位移反应增大；多点激振对悬索桥的地震反应2 影响较小，因为由它而产生的拟静力效应在柔性结构的地震反应中所占比例不大；如采用多点激振输入，则当输入不同相位但波形相同的地震波时，结构的反应会增大。 南京第二长江大桥南汊桥为双塔五跨斜拉桥，全长 1238m，跨径布置为（8.5+ 246.5+628+246.5+58.5）m。范立础、王君杰、陈玮等3进行了非一致激励下大跨度斜拉桥的相应分析，结果发现：与一致输入下的结构响应相比，考虑了行波效应可以使结构响应值产生达 40%左右的差异；局部场地条件对斜拉桥地震响应的影响很大，对于场地条件变化较大的大跨度桥梁，应该根据实际场地情况，进行非一致激励地震响应分析。 郑史雄、奚绍中、杨建中等4对一跨度为 100m200m110m 的预应力连续刚构桥进行了抗震分析，结果表明：土与结构相互作用对桥梁的竖向振动频率和振型影响很小，而对桥梁的纵横向振动特性影响相对较大；行波与多点激励对桥梁的地震反应影响相当大，一般来说，由于行波效应，各支承点所受地震动作用的相位不同，相位差越大，即跨度越大或行波波速越小，行波效应和多点激励对桥梁的地震反应的影响越大；对基岩上覆盖土层所取的模型不同，桥梁的最大内力反应差别很大。 香港青马大桥是主跨 1377m，桥塔高 206m，是世界最长的行车及铁路吊桥，具有显著的非线性特征。张亚辉、林家浩5分使用反应谱法、考虑行波效应以及几何不相干性等模型进行了抗震分析，结果表明地震地面运动的空间变化效应（特别是行波效应）对大跨度结构的响应有着相当大的影响：反应谱方法计算结果和均匀地面运动下的随机振动计算结果非常接近，对于中小跨度桥梁（或大跨度桥梁，但忽略行波效应时）而言，随机振动分析结果与传统的规范反应谱法分析是基本等效的，但是，当考虑行波效应时，计算结果可以相差一倍甚至于更远，这表明行波效应之重要性。 中国地震工程局工程力学研究所的王东升等6总结了大跨度桥梁抗震的非线性3 问题，认为桥梁结构在强烈地震中的性态主要由非线性反应决定，非线性地震反应分析在桥梁结构抗震中具有重要的地位。桥梁结构的非线性主要来自梁柱单元的材料非线性、边界以及连接单元的非线性、缆索非线性以及大变形和大位移引起的形状改变等。 从以上一些工程实例可以发现，与中等跨径普通桥梁相比，大跨度桥梁的地震反应比较复杂，相应地，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和行波效应、各种复杂的非线性因素、桩-土-结构相互作用等。所以，对大跨度桥梁进行抗震方面的研究，为我国桥梁抗震积累相关的工程经验，推动我国桥梁规