蘇通長江公路大橋結構抗震性能研究

蘇通長江公路大橋結構抗震性能研究蘇通長江公路大橋結構抗震性能研究分為四部分：1)

蘇通大橋抗震設防標準研究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的預應力混凝土連續(xù)剛構方案和鋼連續(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

橋梁抗震設防的合理安全度原則：

橋梁抗震設防需要在經(jīng)濟與安全之間進行合理平衡.2.蘇通大橋抗震設防標準的研究

根據(jù)目前抗震設計方法的發(fā)展水平，建議采用兩水平的抗震設計方法對蘇通大橋進行抗震研究?？拐鸱治霰砻鳎簢鴥却罂缍刃崩瓨蛟赑2概率水平的地震作用下，橋塔一般都沒有進入非線性工作狀態(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：抗震概念設計推薦方案的地震反應分析及抗震驗算塔、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，橋寬40.6m，梁高4.0m

斜拉橋的抗震薄弱部位：

橋塔、邊墩及其基礎，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，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計階段，地震反應分析采用反應譜法（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%的標定后的反應譜；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：主塔的縱向地震反應差別較小，但橫向地震反應差別較大；各邊墩的縱、橫向內力反應差別不大。總體來說，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的影響分析

下橫梁高度增大，塔柱的縱向內力反應增大很小，不超過1%適當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：

邊跨壓重方案和預應力束方案差別較小。地震反應：

主塔反應：兩種方案的差別很??；

邊墩反應：對彎矩，兩種方案的幼劣不明顯；

對軸力，預應力束方案較有利3.1.6邊跨主梁壓重或設置預應力束對橋梁抗震性能的影響

預應力束只要構造設計合理，是一種較好的構造措施，建議在過渡墩處也設置預應力束。輔助墩和過渡墩設計合理，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，可以對墩柱進行延性設計。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

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結論和建議

1)

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

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

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

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

初設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）、活載張拉預應力的方案。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，且考慮了遠塔輔助墩及過渡墩樁基礎的柔性；近似考慮了相鄰聯(lián)引橋對過渡墩的影響；時程分析時，考慮邊墩上各滑動支座的滯回耗能作用。

3.2初設推薦方案的抗震性能研究初設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（100年2%、50年2%及100年10%）： 地震反應譜（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行了反應譜分析，以作比較，并和時程分析結果相互校合。反應譜法分析取前300階振型，按CQC法進行組合。地震輸入采用兩種方式：1)縱向＋豎向；2）橫向＋豎向。3.2.5地震反應譜分析

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

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

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行了計算，最后取最大反應值進行驗算。地震輸入方式：1)縱向＋豎向；2）橫向＋豎向。

驗算內容： 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，還應在塔、梁間設置合適的連接裝置。注：括號內的數(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，因此應提高支座的橫向抗力或在墩頂設置另外的限位措施。

參考《鐵路工程抗震設計規(guī)范》，當墩高超過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結論和建議

1）推薦方案的地震內力比靜載內力大很多，將會控制設計。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?；瑒印?)

在橫向+豎向地震作用下，支座會被剪斷，應提高支座橫向抗力，或在墩頂設置另外的限位措施。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，還應在塔、梁間設置合適的連接裝置。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用較廣，使用歷史40多年）國內：

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)的最后取值還應結合其它荷載的需求，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計方案：一是雙幅式鋼連續(xù)梁橋，另一個是雙幅式預應力混凝土連續(xù)剛構橋。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：考慮了樁基礎以及相鄰聯(lián)的影響；左主墩(較高)或右主墩（較矮）設雙向固定支座，其余墩設單向滑動支座動力特性（固定墩設在左主墩）： 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， 對三組都進行了計算，結果取最大值。

4.1.3地震動輸入1.150年2％反應譜曲線4.1.4地震反應譜分析在兩種地震概率水平下，均進行反應譜分析，和時程相互校核反應譜法取前100階，按CQC法進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)支座和樁基礎的抗震檢算

4.1.6兩種支座設置方式的抗震性能比較

兩種固定支座設置方式（設置在左主墩或右主墩）對橋梁地震反應的影響主要在縱橋向，對橫向反應的影響較小。在縱向+豎向輸入時，當固定墩設置在左主墩時，控制設計的固定墩墩底彎矩和墩頂剪力分別比設在右主墩時減小9.2%和18%。因此，固定墩設置在左主墩是比較有利的。總體來說，采用任一種支座設置方式，橋梁結構除支座的橫向抗力不足外，其它構件的抗震性能都是滿足要求的。4.2預應力混凝土連續(xù)剛構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： 考慮了樁基礎和相鄰聯(lián)的影響 主墩與梁6個自由度主從，過渡墩設單向滑動支座地震輸入： 同連續(xù)梁方案

地震反應譜分析：

取前100階，按CQC法進行組合動力特性： 基頻：0.3818Hz，主墩同向側彎 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《鐵路工程抗震設計規(guī)范》，強度折減系數(shù)0.36和0.343)支座和樁基礎的抗震檢算

4.3結論和建議

1)

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

鋼連續(xù)梁方案和預應力混凝土連續(xù)剛構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應力混凝土連續(xù)梁橋，單幅橋面寬為16.5m，兩幅之間的凈距1.0m，全長5570m?？鐝浇M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：首先進行全橋建模（分四部分），采用反應譜法進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)進行細致的時程反應分析和抗震驗算。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（50年10%、50年2%）： 地震反應譜（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，因此對地震反應進行比較時，主要比較墩底彎矩?？v向+豎向輸入下，各聯(lián)橋的固定墩設置差別較大，沒有可比性。但對固定支座的設置方式進行了比較研究。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)設計組提供的墩柱縱筋含筋率（4%）進行抗震驗算，結果表明，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)支座和樁基礎的抗震檢算

5.6固定支座的設置方式對連續(xù)梁橋地震反應的影響828384858687888990919293通過改變該聯(lián)的固定支座數(shù)目，進行縱向地震反應時程分析，來研究固定支座的設置方式對于橋梁地震反應的影響。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)梁橋的抗震設計中，應首先分析設單個固定墩的情況，然后再視地震反應的情況決定是否增加固定墩數(shù)目。

5.7結論和建議

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。限位構造措施有待于施工圖階段進一步研究。3)

引橋各橋墩設計得過于強大，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防標準研究專題委托單位：江蘇省交通廳專題承擔單位：同濟大學土木工程防災國家重點實驗室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