高烈度区环形矮塔斜拉桥抗震性能分析

摘要

新世纪以来，我国桥梁建设发展迅速，大跨桥梁设计和施工实力不断提升，桥梁结构类型多种多样，各类异形桥塔的使用丰富了桥梁体系的外观，受力性能也与常规桥梁存在差别。柳东大桥采用国内首例钢筋混凝土预应力环形塔柱，与其他常见索塔风格迥异，同时，塔梁固结体系设置大吨位摩擦摆支座进行减隔震设计，桥梁结构处于高烈度地区下的地震响应值得进一步探究，本文对于环形矮塔斜拉桥的抗震分析做出如下研究：　　1. 采用Midas Civil软件建立柳东大桥东西侧主桥和中央主桥计算模型，合理模拟桥梁主体结构、非线性连接及桩土效应，考虑相邻引桥桥跨作为主桥结构的边界条件，并对主桥进行静动力特性分析。　　2. 采用反应谱法与时程分析法对主桥结构进行E1频遇地震作用下的二维地震响应分析，地震考虑纵+竖方向、横+竖方向输入，得出各地震方向下的桥梁体系响应特征，反应谱法与时程分析法计算结果趋势相同，数值接近。　　3. 对主桥结构进行E2罕遇地震作用下的抗震性能分析，考虑地震输入组合方向为横+竖方向、纵+竖方向以及三向地震，通过支座栓钉验算判定减隔震支座的工作状况，重点关注了环形桥塔、主墩、交界墩、桩基础的抗弯、抗剪能力以及减隔震支座的变形能力。结果表明E2罕遇地震作用下环塔、主墩及桩基础皆未屈服，主桥结构处于弹性阶段，支座满足变形和剪力需求。同时，通过研究不同墩梁约束体系的主墩主塔受力情况，得出在高烈度区环形矮塔斜拉桥采用减隔震设计的合理性，结果表明摩擦摆支座表现出高效的减隔震性能。　　4. 为研究环形桥塔结构的抗震特性，比较不同类型桥塔对于矮塔斜拉桥的抗震性能影响。本文建立门式桥塔、双柱式桥塔、椭圆拱塔、环形桥塔的对比模型，并开展四类塔型工况的静动力特性分析和横桥向抗震性能分析，结果表明四组模型自振特性类似，桥塔结构对矮塔斜拉桥整体动力特性影响较小，环形桥塔与椭圆拱塔地震响应相近，塔底恒载内力明显，地震弯矩相对较小。　　5. 为研究塔部预应力钢束对环塔正常工作性能和抗震性能的影响，通过设置不同环塔预应力的布置方案进行计算分析。得出设置预应力可提高环塔的整体性能，明显抵消环塔在塔底所产生的恒载拉应力，同时预应力的增设会使得环塔轴力得到增加，增强地震作用下塔底截面的抗弯能力，避免产生塔底拉应力裂缝，总体而言，预应力混凝土环形桥塔表现了较好的整体刚度和抗震性能。

目录

1 绪 论

1.1 矮塔斜拉桥发展简介及部分异形桥塔概况

1.2 矮塔斜拉桥抗震性能研究现状

1.3 斜拉桥桥塔抗震性能研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 桥梁抗震设计理论和计算方法

2.1 桥梁结构抗震分析理论及方法

2.2 地震作用下桥梁结构常用分析方法

2.3.1 静力法

2.2.2 反应谱法

2.2.3 动态时程分析法

2.2.4 随机振动法

2.3.1 延性抗震设计

2.3.2 减隔震设计

2.4 本章小结

3 工程概况和有限元模拟

3.1 柳东大桥工程概况

3.2 有限元建模

3.2.1 桥梁主体结构模拟

3.2.2 减隔震支座模拟

3.2.3 桩土效应模拟

3.2.4 有限元模型

3.3 桥梁结构静动特性概况

3.3.1 桥梁静力计算

3.3.2 桥梁动力特性分析

3.4本章小结

4 柳东大桥频遇地震响应分析及验证

4.1.1 场地设计反应谱

4.1.2 反应谱分析响应结果

4.2 地震时程波选取

4.2.1 地震波选取方法

4.2.2 地震波样例

4.3 纵+竖地震响应分析

4.3.1 结构位移响应情况

4.3.2 塔梁内力响应情况

4.3.3 索力响应情况

4.4 横+竖地震响应分析结果

4.4.1 结构位移响应情况

4.4.2 塔梁内力响应情况

4.4.3 索力响应情况

4.5 本章小结

5 罕遇地震作用下柳东大桥抗震性能验算

5.1.1 结构抗弯性能评估方法

5.1.2 结构抗剪性能评估方法

5.1.3 主桥结构地震易损部位概况

5.2.1 减隔震支座响应及栓钉验算

5.2.2 位移及内力响应结果

5.2.3 易损部位抗震验算结果

5.3.1 减隔震支座响应及栓钉验算

5.3.2 位移及内力响应结果

5.3.3 易损部位抗震验算结果

5.4 三维地震作用验算结果

5.4.1 三维地震位移响应结果

5.4.2 三维地震抗震性能评估

5.5高烈度区合理约束体系评估

5.6本章小结

6 塔形和塔部预应力对主塔地震响应影响研究

6.1矮塔斜拉桥塔形抗震性能影响分析

6.1.1 矮塔斜拉桥对比塔型选取

6.1.2 塔形工况静动力特性对比

6.1.3 横桥向地震计算结果分析

6.2 环塔预应力布置对抗震性能的影响分析

6.2.1 环塔预应力束布置情况及对照组设置

6.2.2 预应力对照组静力分析

6.2.3 预应力对照组横桥向地震分析

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 结论

7.2 本文创新点

7.3 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢