蘇通長江公路大橋結(jié)構(gòu)抗震性能研究

蘇通長江公路大橋結(jié)構(gòu)抗震性能研究蘇通長江公路大橋結(jié)構(gòu)抗震性能研究分為四部分：1)

蘇通大橋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究2)

主航道橋抗震性能研究(主跨1088m的雙塔斜拉橋)3)

專用航道橋抗震性能研究(主跨268m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案和鋼連續(xù)梁方案)4)

引橋抗震性能研究(跨度30m、50m和75m的多跨連續(xù)梁，全長5570m)

1.概述

橋梁抗震設(shè)防的合理安全度原則：

橋梁抗震設(shè)防需要在經(jīng)濟與安全之間進(jìn)行合理平衡.2.蘇通大橋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的研究

根據(jù)目前抗震設(shè)計方法的發(fā)展水平，建議采用兩水平的抗震設(shè)計方法對蘇通大橋進(jìn)行抗震研究?？拐鸱治霰砻鳎簢鴥?nèi)大跨度斜拉橋在P2概率水平的地震作用下，橋塔一般都沒有進(jìn)入非線性工作狀態(tài)。*蘇通大橋工程的重要地位*人們對特大工程抗震安全性越來越高的要求

主航道橋的抗震性能研究分三部分：抗震概念設(shè)計推薦方案的地震反應(yīng)分析及抗震驗算塔、梁連接裝置研究及參數(shù)分析3.主航道橋抗震性能研究主航道橋推薦方案：主跨1088m的雙塔七跨鋼斜拉橋，倒Y型塔，橋?qū)?0.6m，梁高4.0m

斜拉橋的抗震薄弱部位：

橋塔、邊墩及其基礎(chǔ)，以及支撐連接裝置

基本方案： 主跨1088m的雙塔七跨全鋼斜拉橋（倒Y型橋塔，梁寬40.6m，高4.0m，邊跨壓重全橋共7163.2t）3.1抗震概念設(shè)計3.1.1

動力計算模式的建立（基本模型）

邊界條件：塔、墩底固結(jié)，主塔與梁僅橫向主從，邊墩與梁僅橫向、豎向主從。

3.1.2基本方案的動力特性抗震概念設(shè)計階段，地震反應(yīng)分析采用反應(yīng)譜法（300階，CQC法）地震輸入方式：1)縱向＋豎向；2）橫向＋豎向。100年2%超越概率、阻尼比5%的標(biāo)定后的反應(yīng)譜；地表加速度峰值為：水平向0.197g，豎向0.135g。

3.1.3地震動輸入1.253.1.4三種橋塔方案斜拉橋的抗震性能分析

三種橋塔方案斜拉橋的計算模型的不同之處：主塔形式(倒Y型、鉆石型、A型)主塔截面尺寸稍有不同動力特性：除了塔自身的橫向振動外差別很?。M向振動：與倒Y型塔相比，鉆石型塔和A型塔要低30%左右）地震反應(yīng)：主塔的縱向地震反應(yīng)差別較小，但橫向地震反應(yīng)差別較大；各邊墩的縱、橫向內(nèi)力反應(yīng)差別不大?？傮w來說，倒Y型塔和A型塔的抗震性能較好，鉆石型塔較差3.1.5橋塔下橫梁截面高度變化對地震反應(yīng)的影響分析

下橫梁高度增大，塔柱的縱向內(nèi)力反應(yīng)增大很小，不超過1%適當(dāng)增加下橫梁的截面高度，對改善主塔的抗震性能是有利的

主跨的動力特性：

邊跨壓重方案和預(yù)應(yīng)力束方案差別較小。地震反應(yīng)：

主塔反應(yīng)：兩種方案的差別很小；

邊墩反應(yīng)：對彎矩，兩種方案的幼劣不明顯；

對軸力，預(yù)應(yīng)力束方案較有利3.1.6邊跨主梁壓重或設(shè)置預(yù)應(yīng)力束對橋梁抗震性能的影響

預(yù)應(yīng)力束只要構(gòu)造設(shè)計合理，是一種較好的構(gòu)造措施，建議在過渡墩處也設(shè)置預(yù)應(yīng)力束。輔助墩和過渡墩設(shè)計合理，產(chǎn)生的動軸力較小，因此在恒載和地震作用下不會出現(xiàn)拉力，可以對墩柱進(jìn)行延性設(shè)計。3.1.7鋼－混凝土混合式斜拉橋和全鋼斜拉橋方案抗震性能比較

混合式斜拉橋方案：橋跨布置：110.+300.+1088.+300.+110.m，橋面寬度39.8m。

地震反應(yīng)

主塔：兩種斜拉橋方案差別較小 邊墩：混合式斜拉橋方案比全鋼方案大很多3.1.8結(jié)論和建議

1)

三種塔型方案對縱向地震反應(yīng)影響很小，但對橫向反應(yīng)影響很大。其中，倒Y型和A型塔方案對抗震較為有利。2)

可以適當(dāng)增加橋塔下橫梁截面高度（如1m），截面高度變化對地震反應(yīng)的影響很小。3)

邊跨采用預(yù)應(yīng)力束方案對斜拉橋邊墩的抗震較為有利，建議過渡墩處也設(shè)置預(yù)應(yīng)力束以防止梁端翹起。4)

輔助墩和過渡墩設(shè)計合理，在恒載和地震作用下不會出現(xiàn)拉力，可以對墩柱進(jìn)行延性設(shè)計。5）混合式斜拉橋方案與全鋼方案相比，主塔的地震反應(yīng)差別不大，但輔助墩和過渡墩的地震反應(yīng)要大很多。

初設(shè)推薦方案與基本方案的差別：邊跨壓重采用恒載壓重（全橋共3868.8t）、活載張拉預(yù)應(yīng)力的方案。推薦方案的動力計算模型與基本模型的差別：邊跨壓重不同，且考慮了遠(yuǎn)塔輔助墩及過渡墩樁基礎(chǔ)的柔性；近似考慮了相鄰聯(lián)引橋?qū)^渡墩的影響；時程分析時，考慮邊墩上各滑動支座的滯回耗能作用。

3.2初設(shè)推薦方案的抗震性能研究初設(shè)推薦方案與基本方案的動力特性：差別很小3.2.4地震輸入

江蘇省地震工程研究院提供（考慮20年一遇的河床沖刷影響）：3個概率水準(zhǔn)（100年2%、50年2%及100年10%）： 地震反應(yīng)譜（水平向及豎向，阻尼比5％）； 地震加速度時程（每個概率水平3組，水平向及豎向）對三個概率水平的地震作用均進(jìn)行了反應(yīng)譜分析，以作比較，并和時程分析結(jié)果相互校合。反應(yīng)譜法分析取前300階振型，按CQC法進(jìn)行組合。地震輸入采用兩種方式：1)縱向＋豎向；2）橫向＋豎向。3.2.5地震反應(yīng)譜分析

地震行進(jìn)波速根據(jù)江蘇省地震工程研究院的建議，取3000米/秒3.2.6行波效應(yīng)分析

總體來看，對于推薦方案，行波效應(yīng)的影響較小，可以忽略3.2.7時程反應(yīng)分析及驗算

時程分析：對3個概率水平，每個概率水平3組地震加速度時程均進(jìn)行了計算，最后取最大反應(yīng)值進(jìn)行驗算。地震輸入方式：1)縱向＋豎向；2）橫向＋豎向。

驗算內(nèi)容： 橋面縱向位移分析、 邊墩上支座的驗算、 主塔、邊墩的驗算、 提交基礎(chǔ)的驗算地震力斜拉橋邊墩上的滑動支座具有非常顯著的減震作用。但是，對于主跨1088m的特大跨度斜拉橋，為了確保橋梁的抗震安全性，還應(yīng)在塔、梁間設(shè)置合適的連接裝置。注：括號內(nèi)的數(shù)值未考慮邊墩上滑動支座的減震作用。注：支座允許的滑移量為±90cm

各墩頂剪力均大大超過支座的橫向抗力，支座會被橫向剪斷，因此應(yīng)提高支座的橫向抗力或在墩頂設(shè)置另外的限位措施。

參考《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)墩高超過60m時，墩柱的強度折減系數(shù)可取0.5，輔助墩和過渡墩的高度接近60m，偏保守地取0.5輔助墩和過渡墩的強度滿足要求，只要合理配置箍筋，即可保證墩柱的抗震安全性。3.2.8結(jié)論和建議

1）推薦方案的地震內(nèi)力比靜載內(nèi)力大很多，將會控制設(shè)計。2)

橋塔的抗震驗算表明，主塔通過配筋能保證其抗震安全性。4)

輔助墩和過渡墩墩柱只要合理配置豎筋和箍筋，可保證抗震安全性。5)

邊墩上的滑動支座在100年2%概率水平的地震作用下可正?；瑒?。6)

在橫向+豎向地震作用下，支座會被剪斷，應(yīng)提高支座橫向抗力，或在墩頂設(shè)置另外的限位措施。7)

邊墩上滑動支座有較好的耗能作用。為了確保橋梁的抗震安全性，還應(yīng)在塔、梁間設(shè)置合適的連接裝置。3.3塔、梁連接裝置研究及參數(shù)分析

設(shè)置塔、梁連接裝置的主要目的:

減小地震作用下的梁端縱向位移 (不影響橋梁在其它荷載下的運行)2)阻尼器（耗能）較為成熟且適用于大跨度橋梁主要是油阻尼器（粘滯阻尼器）。阻尼力與相對速度的關(guān)系

0.3~1.01)彈性連接裝置

（提供彈性剛度）大型橡膠支座（多多羅橋）、鋼絞線拉索（汕頭海灣二橋）等：對所有的荷載均提供彈性剛度

主要用于限位的液壓緩沖裝置（大海帶橋）對緩慢作用的荷載不起作用，對急速作用的荷載起固定約束作用3.3.1國內(nèi)外大跨度橋梁塔（墩）、梁連接裝置簡述

圖3.23美國Taylor公司開發(fā)的阻尼器國外：

希臘的雷翁--安蒂雷翁大橋 美國的金門大橋抗震加固 美國Oakland海灣大橋西跨懸索橋抗震加固（Taylor公司的阻尼器在世界各國應(yīng)用較廣，使用歷史40多年）國內(nèi)：

重慶鵝公巖大橋

上海盧浦大橋（上海材料研究所開發(fā)）3.3.2塔、梁連接裝置的參數(shù)敏感性分析1)彈性連接裝置的參數(shù)（彈性剛度）分析

1.0

105kN/m是比較合適的一個剛度值。2)阻尼器參數(shù)（阻尼系數(shù)C，速度的指數(shù)

）分析阻尼力對阻尼參數(shù)最為敏感

可見，隨著阻尼器參數(shù)的變化，位移和力的變化趨勢總是相反的。較好的做法是折中取值，如阻尼器的速度指數(shù)

取為0.5，阻尼系數(shù)取為7500~12500較為合適。

3.3.3兩類阻尼器的減震效果比較3.3.4結(jié)論和建議

1)

兩類塔、梁連接裝置：彈性連接裝置和阻尼器均能有效地減小梁端的地震位移，但阻尼器的效果更為理想。2)

塔、梁間如選用彈性連接裝置，從抗震的角度看，可以認(rèn)為，1.0105kN/m是比較合適的一個剛度值。3)

塔、梁間如選用阻尼器，從抗震的角度看，阻尼器的速度指數(shù)取為0.5，阻尼系數(shù)取為7500~12500較為合適。4)彈性連接剛度或阻尼器參數(shù)的最后取值還應(yīng)結(jié)合其它荷載的需求，阻尼器的造價，安裝的位置等實際情況而定。

4.專用通航孔橋梁抗震性能研究專用通航孔橋有兩個設(shè)計方案：一是雙幅式鋼連續(xù)梁橋，另一個是雙幅式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。橋跨布置：140+268+140m，橋面寬度16.5m（單幅寬度），梁變高。兩幅之間的凈距1.0m。4.1鋼連續(xù)梁方案的抗震性能研究動力計算模型：考慮了樁基礎(chǔ)以及相鄰聯(lián)的影響；左主墩(較高)或右主墩（較矮）設(shè)雙向固定支座，其余墩設(shè)單向滑動支座動力特性（固定墩設(shè)在左主墩）： 基頻：0.430Hz，兩幅主梁對稱豎彎 第4階頻率：0.541Hz，

兩左主墩一致縱向彎曲

江蘇省地震工程研究院供： 地表加速度峰值為：50年10％（水平向0.118g，豎向0.078g）；

50年2％（水平向0.169g，豎向0.116g）

每個概率水平三組（水平、豎向）地震加速度地表時程， 對三組都進(jìn)行了計算，結(jié)果取最大值。

4.1.3地震動輸入1.150年2％反應(yīng)譜曲線4.1.4地震反應(yīng)譜分析在兩種地震概率水平下，均進(jìn)行反應(yīng)譜分析，和時程相互校核反應(yīng)譜法取前100階，按CQC法進(jìn)行組合地震輸入采用兩種方式：1)縱向＋豎向；2）橫向＋豎向。2)50年2%概率水平4.1.5時程分析及抗震驗算（固定支座設(shè)置在左主墩）

1)50年10%概率水平只有右過渡墩會橫向屈服，但屈服得不多。

橋墩強度滿足要求，只要合理配置箍筋，即可保證墩柱的抗震安全性參考《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》，鋼連續(xù)梁方案的兩主墩（高度為38.34m、34.32m）的折減系數(shù)可取0.37和0.35。

3)支座和樁基礎(chǔ)的抗震檢算

4.1.6兩種支座設(shè)置方式的抗震性能比較

兩種固定支座設(shè)置方式（設(shè)置在左主墩或右主墩）對橋梁地震反應(yīng)的影響主要在縱橋向，對橫向反應(yīng)的影響較小。在縱向+豎向輸入時，當(dāng)固定墩設(shè)置在左主墩時，控制設(shè)計的固定墩墩底彎矩和墩頂剪力分別比設(shè)在右主墩時減小9.2%和18%。因此，固定墩設(shè)置在左主墩是比較有利的?？傮w來說，采用任一種支座設(shè)置方式，橋梁結(jié)構(gòu)除支座的橫向抗力不足外，其它構(gòu)件的抗震性能都是滿足要求的。4.2預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案的抗震性能研究1#2.1#2.2#3.1#3.2#4#

動力計算模型： 考慮了樁基礎(chǔ)和相鄰聯(lián)的影響 主墩與梁6個自由度主從，過渡墩設(shè)單向滑動支座地震輸入： 同連續(xù)梁方案

地震反應(yīng)譜分析：

取前100階，按CQC法進(jìn)行組合動力特性： 基頻：0.3818Hz，主墩同向側(cè)彎 第4階頻率：0.3896Hz，主墩同向縱彎

2)50年2%概率水平4.2.4時程分析和抗震驗算

1)50年10%概率水平個別墩柱稍微屈服參考《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》，強度折減系數(shù)0.36和0.343)支座和樁基礎(chǔ)的抗震檢算

4.3結(jié)論和建議

1)

鋼連續(xù)梁方案和預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋方案中兩幅橋橫向幾乎同步振動，相對位移很小，兩幅橋之間不會發(fā)生碰撞。2)

鋼連續(xù)梁方案和預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋方案的支座固定方向應(yīng)提供足夠的水平抗力，否則應(yīng)在各墩頂采取必要的限位措施。3)

鋼連續(xù)梁方案和預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案的主墩和過渡墩，通過合理配置縱筋和箍筋，可以保證墩柱的抗震安全性。5.蘇通大橋引橋抗震性能的研究蘇通大橋引橋為雙幅式多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，單幅橋面寬為16.5m，兩幅之間的凈距1.0m，全長5570m。跨徑組合為：14x30m（一）+11x50m（二）+11x50m（三）+11x50m（四）+（50m+9x75m）（五）+10x75m（六），5x75m（七），11x50m（八）+11x50m（九）+11x50m（十）。研究思路：首先進(jìn)行全橋建模（分四部分），采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震性能初步分析，然后從十聯(lián)引橋中選取最有代表性的幾聯(lián)進(jìn)行細(xì)致的時程反應(yīng)分析和抗震驗算。5.1全橋模型的抗震性能初步分析

5.1.1動力計算模式的建立

1142536475757606162636465666758596~819~2029~3239~4450~54747677787975829310411584~9198~99109~1105.1.2動力特性引橋的縱向振動周期總體較長，最長的達(dá)5s。5.1.3地震輸入

江蘇省地震工程研究院提供：

2個概率水準(zhǔn)（50年10%、50年2%）： 地震反應(yīng)譜（水平向及豎向，阻尼比5％）； 地震加速度時程（每個概率水平3組，水平向及豎向）5.1.4地震反應(yīng)分析

大量梁橋的震害表明，比較高柔的橋墩多為彎曲型破壞。蘇通橋的引橋中，50m跨和75m跨各聯(lián)橋的墩較高，因此對地震反應(yīng)進(jìn)行比較時，主要比較墩底彎矩?？v向+豎向輸入下，各聯(lián)橋的固定墩設(shè)置差別較大，沒有可比性。但對固定支座的設(shè)置方式進(jìn)行了比較研究。在橫向+豎向輸入下：50米跨的連續(xù)梁的第四聯(lián)和第八聯(lián)墩底彎矩較大，75米跨連續(xù)梁第六聯(lián)墩底彎矩較大；50米跨的連續(xù)梁橋的第八聯(lián)跨中位移較大，75米跨連續(xù)梁第六聯(lián)跨中位移較大。因此，十聯(lián)引橋中，比較有代表性地是第一聯(lián)（14

30m）,第四聯(lián)（11

50m）,第六聯(lián)（10

75m）和第八聯(lián)（11

50m）。

5.2第一聯(lián)引橋（14

30m）的時程分析和抗震驗算5.3第四聯(lián)引橋（11

50m）的時程分析和抗震驗算5.4第六聯(lián)引橋（11

75m）的時程分析和抗震驗算5.5第八聯(lián)引橋（11

50m）的時程分析和抗震驗算動力計算模型：8283848586878889909192931)50年10%概率水平根據(jù)設(shè)計組提供的墩柱縱筋含筋率（4%）進(jìn)行抗震驗算，結(jié)果表明，在50年10％概率水平地震作用下，墩柱均在彈性工作狀態(tài)。2)50年2%概率水平3)支座和樁基礎(chǔ)的抗震檢算

5.6固定支座的設(shè)置方式對連續(xù)梁橋地震反應(yīng)的影響828384858687888990919293通過改變該聯(lián)的固定支座數(shù)目，進(jìn)行縱向地震反應(yīng)時程分析，來研究固定支座的設(shè)置方式對于橋梁地震反應(yīng)的影響。支座的數(shù)目：10（83～92＃）、8（84～91＃）、6（85～90＃）、 4（86～89＃）、2（87～88＃）和1（87＃）連續(xù)梁橋中，適當(dāng)增加固定支座對抗震有好處，但過多則效果相反 在連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計中，應(yīng)首先分析設(shè)單個固定墩的情況，然后再視地震反應(yīng)的情況決定是否增加固定墩數(shù)目。

5.7結(jié)論和建議

1)

引橋的兩幅橋之間不會發(fā)生橫向碰撞。2)

引橋各支座固定方向應(yīng)提供足夠的水平抗力，或在各墩頂采取必要的限位措施。限位構(gòu)造措施有待于施工圖階段進(jìn)一步研究。3)

引橋各橋墩設(shè)計得過于強大，在50年2％超越概率的地震作用下，只有少數(shù)橋墩剛進(jìn)入屈服，絕大部分橋墩處于彈性工作狀態(tài)。4)在連續(xù)梁橋中，適當(dāng)增加固定支座對抗震有好處，過多則效果相反謝謝！蘇通長江公路大橋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究專題委托單位：江蘇省交通廳專題承擔(dān)單位：同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室WorkingPaperonRiskLevels(HongKong)Sept.2001ServiceabilityLimitStateUltimateLimitStateStructuralIntegrityLimitStateDamageLevelInsignificantRepairablesignificantSecondaryElementsInsignificantRepairableDestroyedNon-Key-ElementsInsignificantRepairablesignificantKey-ElementsnoneInsignificantIntegritymaintainedTable13ISO2394:1998PerformanceLevelsWorkingPaperonRiskLevels(HongKong)Sept.2001Table14PerformancecriteriaandseismichazardlevelfordesignandevaluationofbridgesinNewYorkStateImportanceCategorySeismicHazardLevelReturnPeriodEventPerformanceCriteriaCriticalBridgesUpperLevelSafety25002%in50yearsNocollapse,repairabledamage,limitedaccessforemergencytrafficwithin48hours,fullservicewithinmonth(s)LowerLevelFunctional50010%in50yearsNocollapse,nodamagetoprimarystructuralelements,minimaldamagetoothercomponents,fullaccesstonormaltrafficavailableimmediately(allowfewhoursforinspection)EssentialBridgesOneLevelSafety2/3(2%in50years)Nocollapse,repairabledamage,oneortwolanesavailablewithin72hours,fullservicewithinmonth(s)OtherBridgesOneLevelSafety2/3(10%in50years)Nocollapse,significantdamageinvisibleandcontrolledareas,TrafficinterruptionacceptableRecommendedChangestotheAASHTOSpecificationsfortheSeismicDesignofHighwayBridges(NCHRPProject12-49)Table1.PerformanceObjectivesPerformanceObjectiveProbabilityofExceedanceforDesignEarthquakeGroundMotionsLifeSafetyOperationalRareEarthquake3%in75years(returnperiod:2500)ServiceSignificantDisruptionImmediateDamageSignificantMinimalExpectedEarthquake50%in75years(returnperiod:108)ServiceImmediateImmediateDamageMinimalMinimaltoNoneRetrofitPerformanceCriteriaBridgemustbeopenedtothepublicwithin24hoursaftera1906typeearthquakeBridgeshouldberepairabletofullyoperationalstatuswithinonemonthBridgeseismicresponseshouldbeessentiallyelasticTheSeismicRetrofitoftheGoldenGateBridgeafter1989LomaPrietaEarthquakeGroundMotions

SanAndreasfaultis10kmwestofthebridgeHaywardFaultis16kmeastofthebridgeDesignearthquakesarecomparabletothe1906

M8.3SanFranciscoearthquakeResponseSpectrum2.2g@0.3sec.-1.1g@1.0sec.CompatibleGroundMotions0.65g@12.4sec.57.5cm@8.9sec.U.S.SanFrancisco-OaklandBayBridge

TheeastspanoftheSanFrancisco-OaklandBayBridgearevulnerabletocollapseduringearthquakesthatarepossibleandpredictedintheBayArea