大跨自锚式斜拉-悬索协作体系桥地震响应及减震控制分析研究

算 自锚式 斜拉 悬 索协作 体 系桥 的动 力特 性．
自锚 式 悬 索桥 动 力特 性 分 析
１ １ 空 间 有 限 元 模 型 ．
图 １ 大 连 海 湾 大 桥 空 间 有 限 兀 模 型
１ ２ 动 力特 性计 算 结果 ．
对于 几何 非 线 性效 应 突 出的 大 跨度 悬 索 桥 ， 索 的初始 应力 对 桥 梁 的 平衡 构 形 有 很 大 的影 响 ，
Ｋｓ
忽 略 由 于支 承 运 动 速 度 ｘ 产 生 的 阻 尼力 ， 式 （ ） 简化 为 １可
＾ Ｘ Ｃ Ｘ ＋ Ｋ ＝ ＋ ．
一
型 ， 以预测在 动力荷 载 作用下 ， 可 该结 构体 系 的许 多振 型都 可能被 激发 ． 桥梁 的频谱 分 布 密 集 ， 索 的振 型 所 占数 量 缆
的实测 阻 尼 比多为 ０ ５ ～１ ５ ． 照文 献 ［ ］ ． ． 参 ６，
取 阻尼 比 为 １ ０／ 由于 《 路 工 程 抗 震 设 计 规 ． ． ９ ６ 公
否则导 致结 果不 够 精 确． 建议 在 动力 响 应 分 析 时 要多选 取 一些振 型．
范 》 于 ０ １ Ｓ的谱 值 空缺 ， 际计 算 时参 照《 小 ． 实 建 筑抗 震设 计规 范 》 标准 反应谱 进行 适 当调整 ， 对 将
款 ， 《 筑抗 震设 计 规 范 》 ＧＢ ５ ０ １ ２ ０ ） 但 建 （ ０ １ — ０ １ 、
欧洲 规 范 Ｅ ＯＣ ＤＥ ＵＲ Ｏ ８均规 定 总 振 型 贡献 率 应
地 震加 速度 峰值 为 ０ １ ． 于 该桥 是 大 连港 跨 ． ０ｇ 鉴
海 通道 上 的主航道 桥 ， 有 十分重 要 的政 治 、 具 经济
合． 而不 能 采用平 方 和 开平 方 组 合 法 （ Ｒ Ｓ法 ） ＳＳ ，
意义 ． 因此 ， 据 抗 震 设 防 标 准 取 峰 值 加 速 度 为 根 ０ ２ｇ 场 地类 别 为建 筑 Ｉ 类场 地 ， ． ， Ｉ 设计 地 震 分组
为第 １组 ， 地特 征周期 为 ０ ３ ． 索承重 桥梁 场 ． ５Ｓ缆
Ｍ Ｋｓ Ｋｓ ｂ Ｘｂ
（） ４
由式 （ ） ４ 可分别 求得 拟静 力位移 和动 力 ３ 和（ ） 位移， 后， 然 由式 （ ） ２ 得到 结构 总位 移．
２ ２ 地 震 波 ．
根 据大连 市 提供 的《 研 分 析 报告 中 大连 湾 科
８ ０阶振型 参 与． 型 贡 献 率 在 一 定 程 度 上 反 映 ０ 振
２ １ 结构 非一 致地 震动 方程 ．
采用 集 中质量 法 ， 梁 结 构 非一 致 地 震 动 方 桥
程可 表示 为［ ］ ６ ：
［ ］｝爰 ｛＋ Ｍ ｛＋ ］｝ Ｓ 妻 ［ ｉ ［ ］ ［ ㈩ 磁 ㈡＝ ］ Ｋ ｓ
式 中 ： ， 和 ｘ 分别 为非 支承 处 自由度 的绝对 加 速度 、 速度 和 位 移 向量 ； ， 和 Ｋｓ Ｍ。 为相 应 的 质量 、 阻尼 和刚度 矩 阵 ； ， 和 ｘ 别 为 支承 支 分 处 自由度 的绝 对 加速度 、 度 和位 移 向量 ； ， ｈ 速 Ｍ Ｃ 和 Ｋｂ 为相 应 的质 量 、 阻尼 和刚度矩 阵 ； 支 承 Ｆ 为 反力．
很大 差别 ＿ ］ 在各 种 减 震 控 制 技 术 中 ， 用 阻 尼 】． 采 减震 技 术 ， 够 提 高 结构 阻尼 ， 制 地震 响应 ， 能 抑 在 实 际工 程 中得 到 广泛 应 用［ ． 者 以 大连 湾跨 海 ４ 笔 ］ 大桥 为工 程背 景 ， 建立 空 间非线 性 有 限元 模 型 ， 计
对 于给定 地 面 运 动 位 移 ， 静 力 位 移 拟 可 由下式 求得 ：
一 一
达 ８ ８ ３Ｓ体 现 了大跨径 缆索 体系 作为柔 性结 构 ．０ ，
的特性 ； ２ 振 型 分 布 较 为 密 集 ． ０ １ ３ ６ ～ （） 从 ． ｌ Ｏ ０ ３ ３７ 这 样 窄的一 个频 带上 分布 了 １ ． ４ ７Ｈｚ ０阶振
移， 即
｛ ） Ｘｓ
以满 足精 度 要求 ． 另外 ， 列 出 的前 １ 从 ０阶振 型 和 频率来 看 ， 自锚 式 斜拉一 吊协 作体 系桥 还存 在 以 悬
下特点 ： １ 自振 周 期 较 长． 阶 振 型对 应 的周期 （） 一
，
ｄ㈢ （ ） ＋ ２ ）
ｂ （） ３
梁 、 塔及 桥墩 采用 空 间梁单 元进 行模 拟 ， 桥 主缆 及
吊索采 用 只受 拉 的杆 单 元 ， 面 二期 恒 载 及 箱 梁 桥 内 压 重 块 分 别 用 附 加 质 量 及 质 量 单 元 进 行 模
结构 刚度 矩 阵 ， 后 ， 行动 力特 性及 地震 响应计 然 进
算 ． 用上 面 建 立 的 空 间有 限元 模 型 ， 利 采用 Ｌ ｎ ａ—
大 于 ９ ． Ｏ， 因此 ， 采 用 振 型 分 解 的 方 式 对 自锚 ９ ６ 当 式斜 拉一 吊协 作体 系桥 的地 震 响应进 行 分 析时 ， 悬 若 采用 反应谱 进 行 抗震 计 算 ， 为 了获得 较高 的 则 计 算精 度 ， 须 计 人 更 多 的 振 型 并 采 用 Ｃ 必 ＱＣ组
表 １中脊梁 模 式 表 明 ， 由于 大连 港 跨 海 大桥 采 用抗 扭 能 力 较 强 的 闭 口箱 形 截 面 及 双 索 面 形 式 ， 主梁 的翘 曲刚度对 各 阶振 动频 率影 响很小 ， 故
采用脊 梁模 式进 行动 力特性 及其 响应 分析 完全可
基 于拟 静力 位 移 的概 念 ， 点 激励 下 的 总结 多 构反应 位 移 可 分 离 为 动 ห้องสมุดไป่ตู้ 反 应 位 移 和 拟 静 力 位
拟 Ｌ ． 虑到 主缆 索段 垂度 的影 响 ， ５考 ］ 主缆 弹性 模 量 用 Ｅ ｎｔ ｒ ｓ 公式 修 正． 界条 件 的模 拟 ： 边 主梁 与边 墩
收 稿 日期 ：０ 卜Ｏ —Ｏ ２ １ ６１
ｃｎ 法对 自锚 式 斜 拉一 吊协 作 体 系桥 的动 力 特 ｏｓ 悬
韩 立 中 （ ９ １ ： ， 学 博 士 ， 级 工 程 师 ， 要研 究 领 域 为 桥 梁 设 计 理 论 与桥 梁 组合 结 构 １ ７一） 男 工 高 主 。 部 交 通 建 设 科 技 基 金 项 目资 助 （ 准 号 ：０ ６３ ８８ ３５ ） 西 批 ２ ０ １ ２ ０ ．
（ 通运输部公路科学研究 院” 北京 １ Ｏ ８ ） （ 交 Ｏ Ｏ８ 清华大学土木工程 系
（ 连 理 工 大 学 桥 梁 工 程 研 究 所 ” 大 连 １ ６ ２ ） （ 北 工 业 大 学 土木 工 程 学 院 大 １０ ３ 河
摘 要 ： 于 结 构 非 一 致 激 励 地 震 动 方 程 ， 立 空 间 非 线 性 有 限 元 模 型 ， 讨 一 致 输 入 、 波输 入 下 基 建 探 行 结构 的地震响应． 分别 以 主 梁 纵 向位 移 、 底 内力 为 控 制 目标 ， 究 粘 滞 阻 尼 器 参 数 变 化 对 结 构 减 塔 研 震 效 果 的 影 响 ． 算 结 果 表 明 ： 震 作 用 下 塔 底 顺 桥 向弯 矩 达 ３ ５ １ Ｎ ・Ｔ， 自锚 式 斜 拉一 索 计 地 ６ ． ２Ｍ １ 对 Ｉ 悬 协 作 体 系 桥 的 设 计 起 控 制 作 用 ； 波 效 应 使 得 主 梁 跨 中 横 向 位 移 增 大 ４ ， 向 弯 矩 减 小 １ ％ ； 行 ２ 横 ４ 结 构 纵 向 位 移 及 塔 底 内力 在 考 虑 行 波 效应 后 减 小 ９ ％左 右 ， 装 参 数 合 理 的 阻 尼 器 使 主 梁 纵 向 位 安 移 减 小 ４ ， ４ 主梁 跨 中 弯 矩 和 剪 力 减 小 ４ ， 底 纵 向弯 矩 减 小 ３ ， 到 减 震 效 果 ． １ 塔 ７ 达 关键 词 ： 自锚 式 斜 拉 一 索 协作 体 系 桥 ； 震 响 应 ； 波 效 应 ； 滞 阻 尼 器 悬 地 行 粘
第 ５期
韩 立 中 ， ： 跨 自锚 式 斜 拉一 索 协 作 体 系桥 地 震 响应 及减 震控 制分 析研 究 等 大 悬
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第 ３ 卷 第 ５期 ５
２１ 年 １ ０１ Ｏ月
武汉 理工 大学 学报 （ 通科 学与 工程 版 ） 交
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＷ ｕ ａ ｎｖ ｒ ｉｙ・ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒ ａ ｈ ｎ Ｕ ｉ ｅ ｓｔ ｏ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｆ
（ ａ ｓｏｔｔ ｎＳ ｉ ｃ Ｔｒｎ ｐ ｒ ｉ ｃ ｎｅ＆ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ ａｏ ｅ ｎ ｉｅｒ ） ｎ
了振 型在 地震反 应 中所 占的比例 ， 国《 路工 程 我 公 抗震 设计 细则 》 Ｊ Ｊ０ ４ ０ ８ 对 此 尚无 相关 条 （Ｔ ０ —２ ０ ）
跨 海大桥 地质 资料 报告 》 大连 湾跨 海大桥 位 于东 ， 北地 震 区南部 、 海城 地震 带西 南隅 ， 于地 震烈 度 处 区划 图 的 ＶＩ 区． 虑 到 特 大 桥 梁 其 设 防烈 度 度 考 可 提高 １度 ， 因此 ， 基 本烈 度 为 ７度 ， 平 基 本 取 水
Ｖ０ ． ５ Ｎｏ ５ １３ ．
０ ｃ． ２ ｌ ｔ Ｏ１
大跨 自锚式斜拉一 悬索协作体 系桥地震 响应 及 减 震 控 制 分 析 研 究
韩 立 中 ’ 张 哲 。 张 劲 泉” 聂 建 国 黄 海 新 ’
北京 １ Ｏ ８ ） Ｏ Ｏ ４
天津 ３００） ０ ０ ０
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武汉理工大学学报（ 通科学与工程版） 交
２１ ０ １年
第 ３ ５卷
性， 梁前１ 阶 及相 频率 计算， ２ 结 构 非一 致 地 震 动 方 程及 地 震 波 对桥 ０ 振型 应 进行 ０ 表
１为前 １ Ｏ阶振 型及 其相 应频 率．