多跨斜拉桥双钢管-混凝土组合结构桥塔静力与抗震研究.pdf

多跨斜拉桥双钢管 一混凝 土组合结构桥塔静力与抗震研究 宋晓辉 ， 徐 飞萍 ， 陈仁 山， 杨则英 4 3 多跨斜拉桥双钢管一混凝土组合 结构桥 塔静力与抗震研 究 编译宋 晓辉 。 徐 飞萍 ， 陈 仁 山 ， 杨 则英 ( 1 山东高速股份有 限公司济南黄河大桥管理处， 山东 济南 2 5 0 0 0 0 ； 2 山东 大学土 建 与水 利 学院 ， 山东 济 南 2 5 0 0 6 1 ) 摘要 ：为研究双钢管 一混凝 土组合 结构桥塔在多跨斜拉桥 中的应用 ， 以一座 7 塔 8 跨斜 拉桥模 型为背景 ， 对 双钢管 混凝 土组合结 构桥塔的静力及抗震性 能进 行分析 。采用极限状态设计 法检验桥塔 的安全性 ， 在 中等强度 地震波和超强地震 波作 用下 ， 通过 比较桥塔 横梁处主梁 在纵 向可移动 连接 、 线 弹性连 接及双线 弹性连 接 3种 支承 条件下 的地震 响应评估 桥塔的抗震性能 。分析结果 表明 ： 隔跨布置 活载引起 的主梁及 桥塔弯矩大 于满跨布 置荷载 引起的主梁及桥塔 弯矩 ； 桥塔越高产生 的位 移和弯矩越小 ； 塔顶响应和塔底弯矩在 可移动支 承条件下 最大 ， 在 双线 弹性连接条件下最小 。双钢管混凝土组合结构桥 塔适 用于多跨斜拉桥 ， 主梁与桥塔 横梁处采用 双线弹性 连接方 式 ， 桥塔 的抗 震性能最好 。 关键词 ：多跨斜拉桥 ； 钢管一混凝土组合 结构桥塔 ； 抗震分析 ； 双线弹性连接 ； 耗能特性 中图分类号 ：U4 4 8 2 7 ； U4 4 1 5 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 4 3 0 0 1 引 言 钢管一混凝土构件在新结构中已经得到了广泛 应用 ， 钢管对其内部混凝土的约束作用提高 了混凝 土的抗压强度 ， 钢管 内部的混凝土又可以有效地 防 止钢管发生局部屈 曲。基于此提出了一种新型的组 合结构桥塔 ， 其塔柱为双钢管矩形截 面， 内、 外 2层 钢管之间灌注混凝土。这种钢管一混凝土组合结构 桥塔具有较高的极 限抗弯和抗压强度 ， 同时也具有 良好 的延 性 。 钢管一混凝土组合结构桥塔可以应用在多跨斜 拉桥 中， 法 国米约大桥 ( 7塔 8跨斜拉桥 ) 是一个很 好 的例子 。尽管类似结构已经在传统桥梁的低桥墩 中得到了应用 ， 但是 文中提到的钢管 一混凝土组合 结构桥塔从未提出或应 用于高塔斜拉桥 。同时， 由 于多跨斜拉桥是一种新 型结构 ， 其静力行为及抗震 性能还有待进一步 了解 ， 因此有必要对钢管 一混凝 土组合结构桥塔多跨斜拉桥 的静力行为和抗震性能 进行研究 。 1 4 0 0 因为关于多跨斜拉桥的研究并不多， 多跨斜拉桥 的静力行为与活荷载的强度及分布有关， 因此研究荷 载分布对弯矩和位移的影响是很有必要的。此外还 研究了 3种不同高度的桥塔 的塔高对其变形和弯矩 的影 响 ； 桥 塔 的安全 性则通过极 限状态设计 法检验 。 此外 ， 还研究 了适用 于多跨斜拉桥 的组合结构 桥塔 的地 震响 应 。桥塔 的动 力响 应是 根据 日本公 路 桥梁抗震规范规定的中等和超强设计地震波发生时 获得的。在动态响应评估中比较 了桥塔横梁处主梁 的 3种支承条件 ， 分别是纵向可移动连接、 线弹性连 接和双线弹性连接 。地震作用下结构的恢复力也得 到 了核实 。 2静 力分 析 2 1 结构模型 图 1是用于研究的一座 7塔 8跨斜拉桥模型的 总 体 布 置 ， 其 跨 径 组 成 为 ( 1 0 0 +6 2 0 0 +1 0 0 ) m。 主梁 采用 宽1 8 8 m、 高2 2 m的正交 异性板 钢 1 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 A 2单位：m 图 1 多跨斜 拉桥 模型总体布置 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 7 1 3 编译者简介 ： 宋 晓辉 ( 1 9 7 3 一) ， 男 ， 高级工程师 ， 1 9 9 4年毕业 于山东交通大学路桥专业 ， 工学学士 ( E ma i l ： y a n g b r i d g e 2 0 ( 3 y a h o o c o rn c n ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 世 界 桥 梁 2 0 1 3， 4 l ( 1 ) 箱梁 。桥塔 为 H 形双 索面桥塔 ， 塔柱 为矩 形双钢 管 一混凝 土组 合结构 ， 每 根塔柱 均 由内、 外 2 层 钢管 及其 之 间浇筑 的混 凝土 组成 ( 见 图 2 ) 。主梁 与 桥塔 横梁 在横 向和竖 向固结 ， 纵 向可 以移动 。 2 2 结 构分 析 对桥梁模型进行 了恒载( D) 和设计活载 ( L) 作 用下的有限元静力分析 ， 得 到了截面等效应力和变 形 。所有构件均采用梁单元模拟 ， 主梁和桥塔被分 割成长约 5 0 m 的单元 。设计活载取 自 日本公路 桥 梁 规 范 ， 包 括 3 5 k N m 的 均 布荷 载 q 和 相 当 于纵 向长 1 0 m、 大 小 为 1 0 0 k N m 的集 中 荷 载 q 。本 文考 虑 了 L 1 、 L 2和 L 3三 种 活 载工 况 ： I l为 满跨布置活载 ， L 2为仅在 P 1 P 2跨上布置活载 ， 吕 挺 L 1 L 2 A1 ( a )立面 L 3为隔跨 布置 活载 ( 见 图 3 ) 。 图 4 所 示 为 桥 塔 P 1 P 4塔 顶 的纵 向位 移 ， 桥 塔 P 2 P 4的最 大位 移是 由恒 载 和活 载组 合 D十I 3 引起 的； 桥塔 P 1的最大位移是 由荷载组合 D+I 2 引起 的 。图 5所 示 为 桥 塔 P 1 P 4底 端 的弯 矩 ， 桥 塔 P 2 P 4的最大弯矩 是由荷载组合 D+L 3引起 的； 桥塔 P 1的最大弯矩是 由荷载组合 D+I 2引起 的。从图中可看出隔跨布置的活载效应大于满跨布 置 的 活载效应 。 另外， 还对桥塔 P 1 P 4 取 3种不同高度( 6 2 ， 9 7 ， 1 4 7 m) 进行 计 算 ， 图 6为 在 恒 载和 活 载 组 合 D+ L 3 作用下的弯矩。通常情况下， 塔越高则弯矩越小， 这 是因为随着塔高度的增加 ， 截面的弯曲刚度减小。 ( b )侧面 ( c )塔柱横截面 单位：m m 图 2桥塔结构示意 P l P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 A2 I I l i 川I I I I I I I I q1 q2 ql q2 _ T 丌 T 丌 I I l 川 自 挺 图 3活载 工况 图 4 塔顶纵 向位移 恒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 多跨斜 拉桥双钢管 一混凝土组合结构桥塔静 力与抗 震研究 宋 晓辉 ， 徐飞萍 ， 陈仁 山 ， 杨则英 4 5 E 褪 目 魁 喧 弯矩 m ( b )桥塔P 2 崮 魁 哩 图 5桥塔底 端弯矩 弯矩 m 弯矩 m 弯矩 m ( a )桥塔P 1 ( b )桥塔P 2 ( C )桥塔P 3 图 6 D +L 3作用 下不 同高度桥塔的弯矩 2 3组合结构桥塔的安全性检验 组合结构桥塔的安全性通过极限状态设计法检 验 ， 并考虑 了钢管和混凝土应力应变 的非线性关 系( 见图 7 ) 。桥塔节段被分割成纤维单元计算极限 弯矩 ， 并验算设计 弯矩是否小 于极 限弯矩值 ， 公式 ( 1 ) 和 ( 2 ) 所 示为 验 算设 计 弯矩 时 所考 虑 的安 全 系数 ： 1 O ( 1 ) 1 O g 2 ) 式 中 ， 7 为结 构 系数 ； M 为设 计 弯矩 ； M 为设 计 抗 弯强度 ； N 为设计轴 向压力 ； N。 a 为设计轴 向抗压 强 度 。 表 1为安 全性 验算 所用 系数 和计 算结 果 。 3抗 震分 析 3 1 设计地震波和支承条件 在 2 种设计地震 波下进 行 了抗震分析 ： 1级地 震 ( L 1 一E Q) 和 2级 地 震 ( L 2 一E Q) 。研 究 假 定 地 恒 弯矩 m ( d )桥塔P 4 a Eyd ， ( a )钢管 ( b )混凝土 图 7钢管和混凝土的应力 应变 曲线 波 ， 这是一个中等强度 的设计地震波。高速公路和 国道上的重要桥梁 ， 在 1 级地震时不允许出现损坏。 面条 件 坚硬 良好 。 图8 所 示 为 L1 一E Q设 计 地 震 桥梁 的结构单元需设计在弹性限度内。 表 1 桥塔安全性检验 中所 用的系数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 世 界 桥 梁 2 0 1 3， 4 1 ( 1 ) 目 星 图 8 良 好地 面 条 件 下 的设 计 地 震 波 ( L1 EQ) 2级地 震 ( L 2 一E Q) 是 一种 超强 地 震 ， 有 2种 不 同的类 型 ： 类 型 I和 类 型 。类 型 I是板 块 边 界 地 震 ， 类型 是内陆地震 。图 9所示为类型 I和类型 两种设计 地震波。对于 L 2 一E Q允许 发生小 的 破坏 ， 但是即便在地震发生之后也要保证应急车辆 通行 。因此 ， 桥 梁设 计 虽 然 使 结构 单 元 可 能 超 过屈 服应力， 但是位移应该保持在规定值之内， 这等价于 0 9 倍极限荷载 。应该保证设计 的组合结构桥塔满 足 这些标 准 。 妻 ： ： i i 垂 ： ： 1 0 2 0 时间 s ( a )类型 I Ma x ， bb llI lJ Il 一 11m y T 叩 一” 1 0 2 0 时间 ( b )类型 I I 图 9 良好 地 面条 件 下 的设 计 地 震 波 ( L 2 一 EQ) 地震作 用 下地 面在 3个方 向发生 震 动 ： 纵 向 、 横 向和竖向。对多跨连续斜拉桥而言 ， 需特别关 注结 构的纵向响应 ， 对此做了深入研究。比较了主梁在 桥塔横梁处的 3种支承条件 ， 如表 2所示 ： 纵向可移 动连接( MOV) 、 线 弹性连 接( L S ) 和双线 弹性连接 ( B I S ) 。线弹性连接的剪切弹性模 量 K 由弹性橡 胶支座的尺寸决定 。双线弹性连接遵循这一弹性模 量 ， 达到屈服位移 之后 遵循第二 弹性模 量 K 。 双线性滞后性能引起能量吸收效应 。K 和 K 是 由耗能型支座 的尺寸决定的， 如铅芯橡胶支座 、 大阻 尼橡胶支座等。 表 2 桥塔横梁与主梁连接方式的有 限元 弹簧常数 孝 孽 薹 兰 P 8 k N 113 1 条 件 元 模 型 K1 K2 ，、， ； p 。 V l_ 1 c 1 1 nnn 一 广 P 6 Jv f f j 7 力 7 ，L 一 在抗震分析中， 对静力分析 的结构模型做了几 点变动 ： 组合结构桥塔被分割成纤维单元 ； 填充混凝 土被分割成宽约 5 0 mm的正方形截面 ； 钢板被分成 宽约 5 0 mm的纤维单元 。 表 3为在 3 种 支承条 件下 桥梁 模 型的 固有 频 率 和周期。B L S下 的固有频率约是 MOV下 的 2倍 ； I S下 的 固有频 率介 于 B L S和 MOV之 间 。 表 3固有频率和周期 3 2 2 种设计地震响应 以 0 0 1 S 为 时 间 间 隔对 桥 梁模 型进 行 了 一 步 一 步的分析 。计算模 型与静力分析模 型不 同点为 ： 组合结构桥塔塔柱采用纤维单元而不是梁单元进行 模拟 ； 塔柱底部添加的弹簧单元有 3个方向的 自由 度 ( 竖 向、 横 向和转动方向) ， 已包含基础的影响。计 算结构阻尼 时， 假定钢构件阻尼 比为 0 0 2 ， 组合结 构塔柱阻尼 比为 0 0 5 ， 基础 弹簧阻尼 比为 0 0 1 、 斜 拉 索 阻尼 比为 0 0 5 。 抗震分 析是基于 H本抗 震规范进行 的。对 于 L 2 一E Q的类型 I和类型 提供了 3种不同的设计 地震波及相应的 3 种不同土壤条件( 坚硬 、 中等和柔 软) 。这 3种设计地震波有着不 同的频率范围和持 续 时间 。研究 选择 了坚 硬土 壤 条 件 ， 并 对 类 型 工和 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 多跨斜拉 桥双钢管一混凝土组合结构桥塔静力 与抗 震研究 宋 晓辉 ， 徐飞萍 ， 陈仁 山 ， 杨则英 4 7 类型 的 3种不 同设计地震波进行 了分析 。 图 1 O为 P 4桥塔塔顶在 2级地震波的类型 I作 用下引起 的纵 向位 移。MOV 下 的位 移 最 大， 而 B L S下 的位 移 最 小 。 图 显 示 的 是 塔 底 的 弯 矩 ， 图中也显示 B L S下主梁 的弯矩 比另外 2种支承条 件下小得多 。 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 目 5 0 0 0 d 一 5 0 0 - 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 吕 童 静 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 5 0 1 0 0 l 5 O 图 1 O P 4桥 塔塔顶位移( L 2 一E Q类 型 I) 研究还发现如下规律 ： 随着 L S剪切 弹性模量 K 的增大 ， 最大水平位移有减小 的趋势； 随着 B L S 的比例极限位移 的增大， 最大水平位移减小 ； 随 着屈 服点 之 后第 二 剪切 弹性 模 量 K 的增 大 ， 最 大 水平位移减小 。但是 ， 这些参数对塔底弯矩 的影响 并不像水平位移那么大 。 3 3恢复能力检验 地震力作用下组合结构桥塔的恢复能力是通过 考虑图 7所示钢板和填充混凝 土基 本关 系来评估 的 ， 可 通过 公式 ( 3 ) 验 算 y。 0 d 1 。 ( 3) 式中， 为塔底设计旋转角 ； 0 为极限值 。 3种支承条件下设计旋转角的计算时间历程如 图 1 2 所示。假 设一个悬臂支柱承受外加荷载 P产生 挠度 ， 图 1 3 所示即为 P 曲线。L l 地震波作用下 与比例极限相符合 ， 此时结构构件不能被破坏， 这 被划分为 1 级损伤。 与塔柱屈服处的角度符合。 0 0 0 5 0 一 0 0 0 5 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 时 间 s 图 l 2 P 4桥 塔 顶 端转 角 ( L2 一EQ) 因为 L 2地震波作用下 0 与极限转角符合 ， 外 加荷载经过最大荷载值再减小到 0 9 倍最大荷载值 ( 见 图 1 3 ) ， 允许 发生 较小 的损 坏 ， 此 时 ， 非 灾难 性 的 倒塌应该避免 ， 并且即便地震发生后也要保证应急 车辆通行 ， 这被划分为 2级损伤 。检验结果 如表 5 所示 。 计算结果 支承条件 设计地震波 弹簧最 大位移 m m 塔顶 水平 位移 m m 塔底弯矩 k N m 塔底剪力 k N M ( ) V 类 型 I 类 型 类 型 I 类 型 类 型 I 类 型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 世 界 桥 梁 2 0 1 3， 4 1 ( 1 ) P ax 只 0 9 R O 1 级损伤 2 级损伤 3 级损伤 图 l 3 P 占曲线及损伤等级点 4 结 语 本文研究了采用双钢管一混凝土组合结构桥塔 的一座 7塔 8跨 斜拉桥模型 的静力行 为及抗震性 能。首先 ， 在不同活载强度及分布下 ， 对采用组合结 构桥塔 的斜 拉桥 模型 的静 力性 能进行 研究 。研 究发 现， 隔跨布置活载引起 的主梁及桥塔弯矩大于满跨 布置活载引起的主梁及桥塔弯矩 ； 对 3种不同高度 的桥塔的研究结果显示 ， 桥塔越高产生 的位移和弯 矩越 小 。通过基 于结 构性 能 的极 限状态设 计法 检验 桥塔的安全性 。其次 ， 在 中等强度和超强地震波作 用下 ， 通 过 比较 桥塔 横梁处 主梁在纵 向可 移动 连接 、 线弹性连接和双线弹性连接 3种支承条件下结构的 地震响应 ， 评估桥塔 的抗震性能 。 研究发现塔顶 响 应和塔底弯矩在可移动式支承条件下最大 ， 在双线 弹性连 接条 件下 最小 ； 由于 良好 的耗 能特 性 ， 塔 梁双 线弹性连接在降低地震响应方面十分有效。最后 ， 检验了组合结构桥塔的恢 复力 ， 保证塔柱的转角在 极限值之内以免引起巨大损害 。双钢管一 昆 凝土组 合结构桥塔适用于多跨斜拉桥 ， 此外 ， 主梁与桥塔横 梁连 接处 采用 双线 弹 性 连 接方 式 ， 桥 塔 的抗 震性 能 最好 。 表 5 恢 复 能 力检 验 ( MOV) 参 考 文 献 ： Yu t a k a 0k a mo t o ，S h u n i c h j Na k a mu r a S t a t i c a n d S e i s mi c St u di e s o n St e e l Co nc r e t e H y br i d To we r s f or M ul t i S p a n C a b l e - S t a y e d B r i d g e s J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l St e e l Re s e a r c h，2O1 1，6 7( 2)：20 3 2 1 0 ( 编辑 ： 赵兴雅 ) ， m- ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， l ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， l l i b， ， ， ， I ， l ， ， m ， l l ， l m ， ml ， ， ( 上接 第 3 8页) Ab s t r a c t ：I n o r de r t o o bt a i n t h e v a l ue s o f gr o un d mot i o n p a r a m e t e r s t h a t a r e hi gh e r t h a n t h e v a l ue s i n t he d e s i gn r e f e r e n c e p e r i o d s t i p ul a t e d i n t he s e i s m i c s p e c i f i c a t i o ns f or t he s e i s mi c d e s i g n o f l o ng s p a n b r i d ge s，t h e c or r e l a t i o n b e t we e n t he de s i g n r e f e r e n c e pe r i o d a n d t he p e a k g r ou nd m o t i o n a c c e l e r a t i on wa s e s t a bl i s he d ba s e d on s e i s mi c i nt e ns i t y，a nd t he pe r f o r m a nc e p a t t e r n of pe a k gr o un d mot i o n a c c e l e r a t i o n i n di f f e r e nt d e s i gn r e f e r e n c e p e r i o d wa s a na l y z e d v i a e mp i r i c a l f or mu l a，a nd t h e r e s ul t s o f t h e a n a l y s i s we r e c o m p a r e d wi t h t he va l u e s dr a wn i n a c c or d a nc e wi t h t he pr ob a b i l i t y l e v e l of a 5 0 一 y e a r de s i g n r e f e r e nc e pe r i od i n t h e c ur r e n t s e i s mi c de s i g n s p e c i f i c a t i ons I n a d di t i o n，o n t he b a s i s o f t he s e i s m i c s a f e t y e v a l ua t i o n d a t a o f a c t u a l b r i dg e s ，t he r e l i a bi l i t y of t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s o f p r o b a b i l i t y l e v e l o f a 1 0 0 一 y e a r d e s i g n r e f e r e n c e p e r i o d o b t a i n e d b y t h i s m e t ho d wa s v e r i f i e d Ke y wo r d s ：b r i d g e p r o j e c t ；d e s i g n r e f e r e n c e p e r i o d；s e i s mi c i n t e n s i t y ；p e a k g r o u n d mo t i o n a c c e l e r a t i o n；s e i s mi c d e s i gn；e mpi r i c a l f o r m u l a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m