一种防止斜拉桥在地震作用下发生碰撞的方法

摘要

本发明涉及一种防止斜拉桥在地震作用下发生碰撞的方法，该方法把防止斜拉桥在地震作用下发生碰撞与斜拉桥的体系选择结合起来，变现有技术的被动防碰撞为主动防碰撞。现有技术对斜拉桥的抗震研究，一般基于斜拉桥的体系确定和总体结构尺寸基本确定的基础上，对斜拉桥的结构进行抗震验算，属于事后被动抗震设计，本发明在斜拉桥的初步设计甚至概念设计阶段就介入抗震设计的理念，全过程贯穿抗震设计，对斜拉桥的体系选择以及与引桥的体系组合、斜拉桥减震措施及防止主副孔碰撞的措施，全过程提供指导，全面提升斜拉桥的抗震性能，为主动抗震、防碰撞的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及公路、铁路、城市道路的斜拉桥的设计，是斜拉桥在地震作用下，防止斜拉桥碰撞的综合方法。

背景技术

虽然专家学者对斜拉桥的抗震问题进行了大量的研究，但目前关于斜拉桥抗震的研究多以单独斜拉桥为研究对象，关于斜拉桥与引桥之间碰撞问题的研究较少。由于斜拉桥与其引桥动力特性相差较大，在纵向地震作用下，有导致非同向振动的可能，进而引起主桥与引桥伸缩缝处相邻梁体的碰撞和较大的梁体相对位移，最终导致伸缩缝破坏和落梁。如日本阪神地震使西宫港大桥引桥破坏进而导致落梁，汶川地震引起了紫坪铺水库大桥引桥落梁。过去对这一现象研究不够深入，而现行的抗震设计规范对此也没有明确规定。

发明内容

本发明方法把防止斜拉桥在地震作用下发生碰撞与斜拉桥的体系选择结合起来，变现有技术的被动防碰撞为主动防碰撞。现有技术对斜拉桥的抗震研究，一般基于斜拉桥的体系和总体结构尺寸基本确定的基础上，对斜拉桥的结构进行抗震验算，属于事后被动抗震设计，本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，在斜拉桥的初步设计甚至概念设计阶段就介入抗震设计的理念，全过程贯穿抗震设计，对斜拉桥的体系选择以及与引桥的体系组合、斜拉桥减震措施及防止主副孔碰撞的措施，全过程提供指导，全面提升斜拉桥的抗震性能，属于一种主动抗震、防碰撞的方法。本发明的技术问题通过以下技术方案解决。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤1)输入斜拉桥及副孔桥的总体布置及场地的地震动参数、地震加速度时程波数据；

步骤2)在斜拉桥主塔和主梁间设置纵向滑动摩擦支座，优化滑动摩擦支座的摩擦系数的减震效果；

步骤3)在斜拉桥主塔和主梁间设置纵向粘滞阻尼器，优化纵向粘滞阻尼器的阻尼系数C、阻尼指数的减震效果；

步骤4)在斜拉桥主塔和主梁间设置弹性连接装置，优化弹性连接装置的刚度系数K的减震效果；

步骤5)综合比较步骤2-4的优化结果，确定合适的斜拉桥结构体系的减震装置；

步骤6)研究不同体系斜拉桥体系与不同体系引桥组合，斜拉桥与引桥之间的碰撞影响；

步骤7)根据步骤6比选情况，确定斜拉桥与副孔桥的组合体系；

步骤8)比选斜拉桥与引桥的防止碰撞的措施；

步骤9)输出分析结果。

附图说明

图1是本发明方法的步骤图；

图2是斜拉桥主塔侧视图；

图3是图2沿A-A方向的剖面视图；

图4是斜拉桥主梁底俯视图。

1斜拉桥主梁，2斜拉桥主塔，3主塔下横梁，4主梁支座，5墩顶挡块，6阻尼器或弹性连接装置，7主梁底挡块。

具体实施方式

下面对照附图并结合具体的实施方式对本发明作进一步的说明：

一种用于某特大桥设计的斜拉桥主桥与副孔间防止碰撞的方法，包括以下步骤：

步骤1)输入斜拉桥及副孔的总体布置及场地的地震动参数、地震加速度时程波数据；

步骤1-1)输入斜拉桥及副孔的总体布置信息：斜拉桥的孔径、斜拉桥的结构体系、主梁的结构形式及主梁的横断面布置及结构尺寸、主塔的结构形式及主塔的结构尺寸，斜拉索的信息；

所述斜拉桥是一种桥面体系受压，支承体系受拉的桥梁。其桥面体系用加劲梁构成，其支承体系由钢索组成。斜拉桥是由梁、塔、索三种基本结构组成的桥梁结构体系，梁、塔是主要承重构件，借助斜拉索组成整体结构；

所述斜拉桥的结构体系：按梁、塔、索三者的结合方式，可组成四种不同的结构体系：(1)飘浮体系——塔墩固接、塔梁分离，主梁除两端有支承外，其余全部用拉索悬吊，是多跨弹性支承的单跨梁(2)支承体系——塔墩固接、塔梁分离。主梁在塔墩上设置竖向支承，成为具有多点弹性支承的三跨连续梁或悬臂梁。(3)塔梁固接体系——主塔与主梁固结并支承在墩上。(4)刚构体系——梁和塔墩互为固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构；

步骤1-2)输入场地的地震动参数、地震加速度时程波数据；

根据桥梁所在地的《工程场地地震安全性评价》的结论，获取场地的地震动参数、地震加速度时程数据；

所述场地的地震动参数包括各设防水准的对应的特征周期、地震动加速度峰值Amax；

步骤2)在斜拉桥主塔与主梁间设置纵向滑动摩擦支座，优化滑动摩擦支座的摩擦系数的减震效果：

步骤2-1)：建立斜拉桥计算分析模型，输入场地的地震动参数，在主塔与主梁之间设置固定铰支承的连接方式，分析主塔各关键截面的弯矩、剪力及塔顶位移、梁端位移。

步骤2-2)：建立斜拉桥计算分析模型，输入场地的地震动参数，在主塔与主梁设置纵向滑动支座，改变主塔支座的摩擦系数，即分别取摩擦系数μ＝2％、4％、6％、8％等不同情况下，分析主塔各关键截面的弯矩、剪力及塔顶位移、梁端位移，进行纵桥向摩擦支座的摩擦系数优化分析；

步骤2-3)根据步骤2-1)和步骤2-2)的分析结果，绘制各考察目标(主塔根部弯矩、剪力、上塔柱根部弯矩、剪力、塔顶位移、梁端位移)与支座摩擦系数的关系图和固定铰支承情况下的计算结果对照图。通过考察各目标与支座摩擦系数的相关图，优化滑动摩擦支座的摩擦系数的减震效果，最后选择合适的支座摩擦系数；

所述支座为是连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件。它能将桥梁上部结构的反力和变形(位移和转角)可靠的传递给桥梁下部结构，从而使结构的实际受力情况与计算的理论图式相符合；

步骤3)在斜拉桥主塔和主梁间设置纵向粘滞阻尼器，优化纵向粘滞阻尼器的阻尼系数C、阻尼指数的减震效果；

步骤3-1)：建立斜拉桥计算分析模型，输入纵向和竖向的地震波，在主塔与主梁设置纵向滑动支座，摩擦系数μ＝2％，分析主塔各关键截面的弯矩、剪力及塔顶位移、梁端位移；

步骤3-2)：采用步骤3-1)中计算模型，在半飘浮体系的基础上，在每个塔梁处增设一个纵桥向阻尼器，先假定阻尼器阻尼指数优化纵向粘滞阻尼器的阻尼系数C，分别取阻尼系数C＝8000、10000、12000、14000、16000，考虑纵向和竖向的地震波输入进行主塔各关键截面的弯矩、剪力、及塔顶位移计算；

步骤3-3)根据步骤3-1和步骤3-2计算结果，绘制关键截面的弯矩、剪力、及塔顶位移与阻尼系数C的关系图及与不设阻尼器时相应截面的内力对照图，进行纵向粘滞阻尼器的阻尼系数C的优化分析；

所述粘滞阻尼器：根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理而制成的，是一种与刚度、速度相关型阻尼器；

阻尼器的阻尼力与相对速度之间的关系可表达为：

其中F为阻尼力，C是阻尼系数，是阻尼指数；

步骤3-4)在步骤3-3)的分析结果上，优化纵向粘滞阻尼器的阻尼指数在步骤3-3确定的阻尼系数C值后，阻尼指数考虑纵向和竖向的地震波输入进行主塔各关键截面的弯矩、剪力、及塔顶位移计算；

步骤3-5)根据步骤3-1和步骤3-4计算结果，绘制关键截面的弯矩、剪力、及塔顶位移与阻尼指数的关系图及不设阻尼器时相应截面的内力对照图，进行纵向粘滞阻尼器的阻尼指数的优化分析，选择合适的阻尼系数

步骤4)在斜拉桥主塔和主梁间设置弹性连接装置，优化弹性连接装置的刚度系数K的减震效果；

步骤4-1)：建立斜拉桥计算分析模型，输入纵向和竖向的地震波，在主塔与主梁设置纵向滑动支座，摩擦系数μ＝2％，分析主塔各关键截面的弯矩、剪力及塔顶位移、梁端位移；

步骤4-2)：采用步骤4-1)建立计算分析模型，输入纵向和竖向的地震波，在主塔与主梁设置纵向固定铰支座，分析主塔各关键截面的弯矩、剪力及塔顶位移、梁端位移；

步骤4-3)：采用步骤4-1)建立计算分析模型，输入纵向和竖向的地震波，主塔与主梁之间设置一定刚度的弹性连接装置，分别取连接装置的刚度K＝5000、10000、15000等，分析主塔各关键截面的弯矩、剪力及塔顶位移、梁端位移；

步骤4-4)：根据步骤4-1-步骤4-3计算结果，绘制关键截面的弯矩、剪力、及塔顶位移与连接装置的刚度K的关系图与铰接体系斜拉桥和飘浮体系斜拉桥相应截面的内力对照图，进行了塔梁间纵向弹性连接刚度的优化分析。

所述弹性连接装置的恢复力是塔梁间相对位移的线性函数，是半漂浮体系和塔梁固定铰支承体系的一个折中方案，试图在桥梁的位移和内力之间进行协调。

步骤5)综合比较步骤2-4的优化结果，确定合适的斜拉桥结构体系的减震装置；

根据步骤2-4的优化结果，比较滑动摩擦支座、纵向粘滞阻尼器、弹性连接装置三者的减震性能，选择适合本项目的减震装置；

步骤6)研究不同体系斜拉桥体系与不同体系引桥，斜拉桥与引桥之间的碰撞影响；

步骤6-1)研究飘浮体系斜拉桥与连续梁副孔组合时，斜拉桥与副孔间碰撞的大小；

考察碰撞对引桥固定桥墩剪力和弯矩的影响、碰撞对主桥主塔关键截面的弯矩、剪力的影响、塔顶位移、伸缩缝之间碰撞力的大小；

步骤6-2)研究飘浮体系斜拉桥与简支梁副孔组合时，斜拉桥与副孔间碰撞的大小；

考察碰撞对引桥固定桥墩剪力和弯矩的影响、碰撞对主桥主塔关键截面的弯矩、剪力的影响、塔顶位移、伸缩缝之间碰撞力的大小；

步骤6-3)研究铰接体系斜拉桥与连续梁副孔组合时，斜拉桥与副孔间碰撞的大小；

考察碰撞对引桥固定桥墩剪力和弯矩的影响、碰撞对主桥主塔关键截面的弯矩、剪力的影响、塔顶位移、伸缩缝之间碰撞力的大小；

步骤6-4)研究铰接体系斜拉桥与简支梁副孔组合时，斜拉桥与副孔间碰撞的大小；

考察碰撞对引桥固定桥墩剪力和弯矩的影响、碰撞对主桥主塔关键截面的弯矩、剪力的影响、塔顶位移、伸缩缝之间碰撞力的大小；

飘浮体系斜拉桥：飘浮体系是斜拉桥设计中的一种基本结构体系(其余四种分别为：半飘浮体系、支承体系、塔梁固结体系和刚构体系)。飘浮体系的特征为：塔、墩固结，梁在塔处不设支座，而往往设竖直拉索，边墩上仅设纵向滑动支座，斜拉索在竖直面内布置成辐射形或扇形，而不能是竖琴形；

简支梁：由一根两端分别支撑在一个活动支座和一个铰支座上的梁作为主要承重结构的梁桥。属于静定结构。其构造简单，架设方便，结构内力不受地基变形，温度改变的影响；

连续梁：两跨或两跨以上连续的梁桥，属于超静定体系。连续梁在恒活载作用下，产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用，使内力状态比较均匀合理，因而梁高可以减小，由此可以增大桥下净空，节省材料，且刚度大，整体性好，超载能力大，安全度大，桥面伸缩缝少，并且因为跨中截面的弯矩减小，使得桥跨可以增大；

步骤7)根据步骤6比选情况，确定斜拉桥与副孔桥的组合体系；

步骤8)比选斜拉桥与引桥的防止碰撞的措施；

步骤8-1)依据步骤5和步骤7的得出的结论，确定了塔梁连接装置和斜拉桥与副孔的体系组合，建立斜拉桥的计算模型，不考虑在设置防止斜拉桥与引桥碰撞的措施，计算主塔关键截面的弯矩、建立、塔顶位移、伸缩缝间的碰撞力及位移。

步骤8-2)在步骤8-1的计算模型的基础上，在伸缩缝处相邻梁体之间安装受拉连梁装置，并考察连梁装置的初始间距及连梁装置的刚度变化对防止碰撞的效果；

所述连梁装置为在斜拉桥与引桥主梁之间安装的一种具有一定刚度的连接装置；

步骤8-3)分析在伸缩缝处相邻梁体之间安装橡胶垫块的防碰撞效果；

在步骤8-1的计算模型的基础上，在伸缩缝处相邻梁体之间安装橡胶垫块，计算伸缩缝处的碰撞力、主塔关键截面的弯矩、剪力、引桥桥墩的弯矩、剪力。通过比较安装橡胶垫块后上述指标的降低程度，考察橡胶垫块防止碰撞的效果；

步骤8-4)分析在伸缩缝处过渡墩与引桥主梁之间设置受拉限位装置的防碰撞效果；

所述受拉连梁装置安装在引桥主梁与过渡墩桥墩之间。所述过渡墩指斜拉桥与引桥均在上支承的桥墩；

步骤8-5)综合步骤8-1至步骤8-4得出的结论，确定合适的斜拉桥和副孔的防碰撞措施；

步骤9)输出分析结果；

根据以上步骤的比选结果，输出项目的总体结果，总体防止碰撞的总体信息包含以下内容：斜拉桥的推荐的结构体系、引桥的结构体系、主梁与主塔之间的连接装置类型、防止碰撞的措施。