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斜拉桥过渡墩处合理横桥向约束体系研究

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　2010年4月第4期(总139) 铁　道　工　程　学　报JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY Apr　2010NO.4(Ser.139)　　Ξ　收稿日期:2009-12-08

　ΞΞ作者简介:燕斌,1983年出生,男,工程师;龚纬,1982年出生,男,工程师。

文章编号:1006-2106(2010)04-0044-05

斜拉桥过渡墩处合理横桥向约束体系研究Ξ燕　斌1　龚　纬2ΞΞ(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,　西安710075;　2.铁道第三勘察设计院集团

有限公司,　天津300142

)

摘要:研究目的:横桥向地震作用下,斜拉桥的过渡墩是抗震设计的薄弱环节,有必要研究斜拉桥过渡墩处合理的横桥向约束体系。以厦漳跨海大桥南汊主桥为工程背景,从提高过渡墩横桥向抗震性能的角度出发,研究3种横桥向约束体系(墩梁主从、墩梁自由、墩顶设置限位挡块)对斜拉桥横桥向抗震性能的影响。研究结论:采用墩梁主从体系会放大过渡墩及其基础的地震响应;采用墩梁自由体系虽然可以减小过渡墩及其基础的地震响应,但会造成墩梁横桥向相对位移过大;采用限位挡块体系可以有效减小过渡墩的地震响应,合理的挡块初始间隙可以通过参数分析得到。关键词:斜拉桥;抗震性能;横桥向约束体系;限位挡块;间隙单元;参数分析中图分类号:U433.15 文献标识码:A

StudyontheReasonableTransverseConstraintSystemforTransitionalPierofCable-stayedBridgeYANBin1,GONGWei2(1.CCCCFirstHighwayConsultantsCo.Ltd,Xi’an,Shanxi710075,China;2.TheThirdRailwaySurveyandDesign

InstituteGroupCorporation,Tianjin300142,China)Abstract:Researchpurposes:Undertheeffectoftransverseearthquake,thetransitionalpierofcable-stayedbridgeisoneoftheweakestlinksinseismicdesign,soitisnecessarytostudythereasonabletransverseconstraintsystemforthetransitionalpier.TakingtheNanchamainbridgeofXiamen-ZhangzhouSea-crossingBridgeasanexample,thestudiesaredoneontheeffectofthreetransverseconstraintsystems(fixedsystem,freesystem,andblocksystem)ontransverseseismicperformanceofcable-stayedbridgeinviewofpromotingthetransverseseismicperformanceofcable-stayedbridge.Researchconclusions:Theseismicresponsesoftransitionalpieranditsfoundationareamplifiedwhenthefixedsystemisused.Althoughtheseismicresponsesoftransitionalpieranditsfoundationcanbereducedwhenthefreesystemisused,buttherelativetransversedisplacementbetweentransitionalpierandgirderisoverbig.Theseismicresponsesoftransitionalpieranditsfoundationcanbeeffectivelydecreasedwhentheblocksystemisused,andreasonableinitialgapoftheblockcanbeobtainedthroughanalysesofparameters.Keywords:cable-stayedbridge;seismicperformance;transverseconstraintsystem;blocksystem;gapelement;parameteranalysis

目前,我国进入大规模基础建设时期,桥梁建设事业蓬勃发展。斜拉桥以其造型优雅、跨越能力强等特点而被广泛采用。斜拉桥的抗震设计历来倍受关注,

在汶川地震后更加突出。如何提高斜拉桥的抗震性能,是摆在设计者面前的一大难题[1-2]。斜拉桥的抗震性能与其结构体系直接相关,其中包括纵桥向结构体系和横桥向结构体系。经过多年研究与实践,斜拉桥纵桥向结构体系的抗震问题已得到初步解决。但是,目前对斜拉桥横桥向结构体系抗震性能的研究却相对较少[3]。斜拉桥横桥向地震响应更为复杂,很难像纵桥向那样仅通过采用漂浮或半漂浮体系就可以大幅度减震[4]。在斜拉桥的横桥向,一般采用抗风支座来制约主梁与索塔的相对运动,采用横桥向限位装置来制约主梁与过渡墩(也包括辅助墩)的相对运动。这种“刚性”的约束体系通常使得斜拉桥的横桥向地震响应非常大。斜拉桥的主塔尺寸较大,承载能力较高,通常可以抵抗横桥向地震作用;相比之下,过渡墩的尺寸较小,承载能力不高,难以抵抗横桥向地震作用。因此,斜拉桥过渡墩处合理的横桥向约束体系值得研究[5]。本文以厦漳跨海大桥南汊主桥[6]为工程背景,对比分析过渡墩处3种横桥向约束体系(墩梁主从、墩梁自由、墩顶设置限位挡块[7])对斜拉桥横桥向抗震性能的影响。研究发现:采用墩梁主从体系会放大过渡墩及其基础的地震响应;采用墩梁自由体系虽然可以减小过渡墩及其基础的地震响应,但会造成墩梁横桥向相对位移过大;采用限位挡块体系可以有效减小过渡墩的地震响应,合理的挡块初始间隙可以通过参数分析得到。1　工程概况 厦漳跨海大桥南汊主桥采用叠合梁斜拉桥,跨径布置为135+300+135=570m。南汊主桥在厦门侧接4×45=180m的等截面连续箱梁,在漳州侧接2×40+60+40=180m的变截面连续箱梁。主梁采用双工字型叠合梁,桥梁全宽38.0m。采用H型索塔,箱型断面,

承台以上塔高137.0m。索塔基础采用哑铃型承台和32根D2.8m/2.5m变直径钻孔灌注桩基础;厦门侧过渡墩基础采用跑道型承台和10根D2.8m/2.5m变直径钻孔灌注桩基础;漳州侧过渡墩基础采用矩形承台和10根D2.5m的钻孔灌注桩基础。地质钻孔揭示:

桥塔处土层自上而下依次是淤泥、粉细砂、中粗砂、粉细砂、强风化花岗岩、弱风化凝灰熔岩、微风化花岗岩,

基岩埋深较浅,河床以下20m深度范围内的砂性土存在液化现象。厦漳跨海大桥南汊主桥的约束体系为:索塔与主梁竖向主从,横桥向设置抗风支座,纵桥向相对自由,

设置液体粘滞阻尼器;过渡墩与主梁竖向主从,纵桥向相对自由,横桥向设置一个单向滑动支座和一个双向滑动支座。南汊北引桥和南汊南引桥均采用铅芯橡胶支座。厦漳跨海大桥位于强震多发区,采用两水平设防、两阶段设计的抗震设计思路[8]:E1地震的重现期为

1950年,主结构完好无损,验算应力;E2地震的重现期为1950年,主结构发生局部轻微损伤,校核极限承载能力。图1为1950年重现期的水平向地震加速度反应谱和一条水平向地震加速度时程曲线(阻尼比0.03)。

图1　地震动输入(重现期1950年)

2　动力特性分析厦漳跨海大桥南汊主桥的三维动力有限元模型如图2所示。桥塔、主梁、桥墩和桩基均离散为空间梁单元;斜拉索采用空间桁架单元,但考虑拉索垂度和恒载引起的几何刚度影响;考虑土体(包括岩石)对桩基的作用,土体用弹簧模拟,弹簧刚度依据“m法”取值[9];主梁与索塔、过渡墩在纵桥向相对自由,横桥向、竖向主从;主梁在索塔横梁处设置液体粘滞阻尼器,采用阻尼器单元模拟;限位挡块采用间隙单元模拟[10];连续

梁支座为铅芯橡胶支座,采用双线性模型模拟。在斜拉桥过渡墩处设置3种横桥向约束体系,墩

54第4期燕　斌　龚　纬:斜拉桥过渡墩处合理横桥向约束体系研究图2　动力分析模型梁主从、墩梁自由、墩顶设置限位挡块。对于墩梁主从,分别考虑过渡墩处2个支座其中1个为横向固定支座(简称:单卡体系)和2个均为固定支座(简称:双卡体系)的情况,所谓墩梁自由,即主梁与过渡墩间无横向约束,称为滑动体系,将墩顶设置限位挡块的情况称为挡块体系。表1为不同横桥向约束体系下横桥向典型动力特性计算结果。由此可以看出,单卡体系和双卡体系均为固结体系,桥梁横桥向刚度较大,横桥向自振频率较大。相比之下,滑动体系和挡块体系释放了过渡墩处的横桥向约束,桥梁横桥向刚度降低,横桥向自振频率也随之降低。双卡体系比单卡体系的横桥向刚度更大,表现为双卡体系的一阶反对称侧弯频率略大于单卡体系。约束体系一阶对称侧弯和一阶反对称侧弯出现的阶数较晚,这是因为前十五阶振型中包含了较多的引桥振型。

表1　横桥向典型动力特性 体系名称振型特征 单卡体系双卡体系滑动体系、挡块体系

一阶对称侧弯频率/Hz0.5450.5450.338

出现阶数16163

一阶反对称　侧弯 频率/Hz0.5700.5750.430

出现阶数171712

3　约束体系抗震性能研究根据计算模型及地震动输入,应用动力时程方法对上述4种横桥向约束体系进行抗震性能研究,其中挡块初始间隙为20cm。此处,仅以E2阶段横桥向地震动输入为例进行分析。

3.1　约束体系对地震位移的影响表2列出了不同横桥向约束体系下,过渡墩-主梁间的横桥向地震位移的计算结果。由此可以看出,相对于滑动体系而言,挡块体系可以有效控制过渡墩-主梁间的横桥向地震位移。也就是说,挡块体系可以使过桥梁的横桥向抗震性能达到可控的程度,这对于应付地震的不确定性及防止落梁具有重要的意义。表2　过渡墩-主梁横桥向相对地震位移计算结果(单位:m)

约束体系单卡体系、双卡体系滑动体系挡块体系北过渡墩处墩-

梁横桥向相对位移-0.3020.314

南过渡墩处墩-

梁横桥向相对位移-0.2080.210

3.2　约束体系对地震内力的影响表3和表4分别列出了不同横桥向约束体系下,

桥梁各控制断面的地震弯矩和地震轴力计算结果。由此可以看出,过渡墩处采用不同的横桥向约束体系,仅影响过渡墩及其基础的地震响应,对远离其的构件(如索塔及其基础)影响很小。相对于固结体系(包括

单卡体系和双卡体系)而言,滑动体系和挡块体系均可大幅降低过渡墩的受力;相对于单卡体系而言,滑动体系和挡块体系对过渡墩桩基的受力有所提高,但幅值较小。对于2种固结体系,双卡体系增大了桥梁的横桥向刚度,导致桥梁各控制断面的地震响应增大,降低了桥梁的横桥向抗震性能。相对于滑动体系而言,

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斜拉桥合理成桥状态的确定

斜拉桥合理成桥状态的确定


Md2
, M d1
可行域,
与N
有关
y
M d1 M d2 M d N y
M d 最小可行域宽,分区确定N y
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合理成桥状态“目标”：
a. 索力分布合理 匀称—变化均匀
b. 主梁弯矩——“可行域”—居中或偏向 c. 主塔弯矩——预偏（活载因素） d. 边墩、辅助墩反力
回总目录
0 -20000 -40000 -60000
0
可行域上限
可行域下限
计入预应力后的恒载弯矩
75
150
225
300
375
450
主梁位置（m）
图2-13 调整前的主梁成桥恒载弯矩分析图
回总目录
调整后的主梁成桥恒载弯矩图
弯矩数值（kN.m）
60000 40000 20000
0 -20000 -40000 -60000
450
回总目录
预加力数值（kN） 0 75 150 225 300 375 450
主梁预加力图
120000 90000 60000 30000 0
-30000
合理预加力
实际布置的有效预加力
图2-12
主梁位置（m）
主梁预加力图
回总目录
调整前的主梁成桥恒载弯矩分析图
弯矩数值（kN.m）
60000 40000 20000
0
可行域上限
可行域下限
调后成桥恒载弯矩
75
图2-14
150
225
300
主梁位置（m）
调整后的主梁成桥恒载弯矩图
375
450
回总目录
索力数值（kN） 0 S5 S10 S15 S20 B14 B9 B4 A1 A6 A11 A16
斜拉桥横隔板受力分析

斜拉桥横隔板受力分析

105TRANSPOWORLD交通世界收稿日期：2017-03-11作者简介：魏珍珍（1984—），女，工程师，主要研究方向为桥梁设计。

斜拉桥横隔板受力分析魏珍珍（北京建达道桥咨询有限公司，北京 100015）摘要：以可克达拉特大桥横向计算为例，分析斜拉桥横向构造及计算方法，通过使用杆系模型和空间模型进行分析，保证结构受力安全合理。

横隔板是使桥梁成为空间整体结构的重要组成部分，能使大桥的整体性更好，在荷载作用下主梁能更好地共同工作。

本文采用桥梁计算软件，对斜拉桥横隔板进行计算分析，确保桥梁结构安全可靠、受力合理。

关键词：斜拉桥；横隔板；计算分析中图分类号：U441文献标识码：B0 引言斜拉桥作为一种拉索体系，跨越能力更大，是大跨度桥梁的主要桥型[1]。

斜拉桥的应用越来越广泛，对斜拉桥的研究也越来越深入、越来越全面。

本文以克达拉特大桥横向计算为例，分析斜拉桥横向构造及计算方法，通过使用杆系模型和空间模型进行分析，保证结构受力安全合理。

1 项目概况可克达拉特大桥所在区域（伊犁哈萨克自治州）位于新疆西北部，地处东经80°09'～91°01'，北纬40°14'～49°10'之间，向东距伊宁市约25km 。

该区域拥有丰富的水土光热资源、矿产资源、旅游资源等。

大桥位于天山支脉沙尔套山和克特敏山之间的伊犁河谷地，地貌形态属山前冲洪积扇的中上部。

可克达拉特大桥横跨伊犁河，南岸地势由南向北微倾，地面高程在564～566m 之间，地形坡度小于0.5%；北岸地势由北东向西南微倾，地面高程为571m 左右，地形开阔平坦。

场地微地貌包括了现代河床、心滩、河漫滩及阶地等。

本项目是伊犁州直干线公路网的“纵线八”伊宁—察布查尔重要的补充，进一步完善了伊犁河过河通道布局，提高了路网连通度，对于带动区域经济发展有重要意义。

其中可克达拉特大桥跨径大，难度较高，工期较长，是本项目的重点及难点。

斜拉桥-独塔单索面非对称斜拉桥研究资料

斜拉桥-独塔单索面非对称斜拉桥研究资料

1 绪论1.1 课题研究背景斜拉桥是一种由塔、梁、索3 种基本构件组成的高次超静定组合桥梁结构体系[1]。

斜拉桥的桥面体系是以主梁受压或受弯为主，而其支承体系是以拉索受拉和索塔受压为主。

斜拉索由桥塔上部引出并多点弹性支承于桥跨，这样的结构形式使斜拉桥的主梁受力类似于连续梁，从而大大降低了主梁截面弯矩，有效地提高了主梁的跨越能力。

从斜拉桥的结构形式和主梁、索塔、斜拉索三大构件的受力特征看，斜拉桥具有形式多样、造型美观，主梁高度不高、优良的跨越能力等特点；斜拉桥的设计结构特点包括计算机结构分析和计算、高次超静定结构、应用有限单元法；与其它桥型相比，斜拉桥的特性包括：斜拉桥是跨径250m~600m 的最合适桥型，而斜拉跨径600m~1000m 时，斜拉桥是仅次于悬索桥的合适桥型[2]。

由于斜拉桥的种种优点，斜拉桥已广泛应用于现代城市桥梁和大跨度桥梁的建设当中。

然而，在斜拉桥的运营过程中，由于频繁承载甚至承受超载，加上长期的自然侵袭以及人为事故造成的损坏，斜拉桥会产生各种病害。

随着服役年限的增长，桥梁发生病害的部位会越来越多，损坏程度也会越来越严重另一方面，在结构上来说，斜拉桥属于柔性结构，在风力、地震力其他自然及人为的动力影响时容易发生振动，这些振动对于斜拉桥的受力来说是不利的。

斜拉索是斜拉桥的核心组成部分，现用的斜拉索绝大多数为钢制斜拉索，但钢斜拉索存在很多问题，如振颤、防腐、锚固点的应力疲劳等。

其中斜拉索及其锚具的防腐问题尤为显著，由于斜拉索锈蚀而导致斜拉桥被迫换索已经占到了相当高的比例[4]。

对于已建斜拉桥，在其营运过程中某些构件损坏尤其是斜拉索损伤会导致桥梁极限承载能力的降低甚至导致突然坠毁事故，这些问题给人们生活和社会稳定带来极大的安全隐患。

因此，对既有营运斜拉桥病害检测及加固研究工作显得尤为必要。

1.2 国内外研究现状1.2.1 斜拉桥病害检测研究现状早在20 世纪50年代开始，人们就开始着手研究桥梁损伤问题，进入70 年代之后，桥梁检测工作已经被运用于桥梁工程，用来评定桥梁的成桥质量。

斜拉桥

斜拉桥

32
斜拉桥的结构体系
漂浮体系
Ø 现代大跨度混凝土斜拉桥大多采用飘浮体系，如我 国的武汉长江公路桥、重庆长江二桥、铜陵长江大 桥、上海南浦大桥和杨浦大桥（钢—混凝土结合 梁）都采用漂浮体系 。
33
斜拉桥的结构体系
漂浮体系——优点
Ø 全跨满载时，塔柱处主梁无负弯矩峰值。 Ø 主梁可以随塔柱的缩短而下降，所以温度、收缩和 徐变内力均较小。
36
斜拉桥的结构体系
半漂浮体系——特点
Ø 由于主梁支承在桥塔的横梁上，整体刚度比漂浮体 系大。
Ø 这种结构体系中索塔对主梁的纵向水平约束刚度需 根据结构受力要求通过试算确定，一般约束刚度越 小，结构受到的水平地震作用也就越小，但顺桥向 的水平变形增大。 Ø 主梁内力在塔墩支点处产生急剧变化，出现了负弯 矩尖峰，通常须加强支承区段的主梁截面。
27
斜拉桥的总体布置
主梁布置——非连续体系
28
斜拉桥
Ø 概述 Ø 斜拉桥的总体布置 Ø 斜拉桥的结构体系 Ø 斜拉桥的构造 Ø 斜拉桥的计算理论与技术发展 Ø 大跨度斜拉桥的特点 Ø 大跨度斜拉桥面临的挑战与发展方向
29
斜拉桥的结构体系
漂浮体系 梁与塔墩的连接方 连接方式 半漂浮体系（支承体系） 塔梁固结体系 刚构体系 自锚式 拉索的锚拉体系 地锚式 部分地锚式
39
斜拉桥的结构体系
塔梁固结体系——优点
Ø 减小了塔墩弯矩和主梁中央段的轴向拉力。
Ø 主梁受力比较均匀，整体升降温引起的结构温度应 力较小。
40
斜拉桥的结构体系
塔梁固结体系——缺点
Ø 结构的刚度小，在荷载作用下变形比较大；当中跨 布载时，主梁在墩顶处转角会使塔柱倾斜，显著增 大主梁跨中挠度和边跨负弯矩。