悬索桥的抗风抗震汇总Word文件下载.docx
- 文档编号:20589012
- 上传时间:2023-01-24
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:512.78KB
悬索桥的抗风抗震汇总Word文件下载.docx
《悬索桥的抗风抗震汇总Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《悬索桥的抗风抗震汇总Word文件下载.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
由于我所设计的断面空气动力性能很好,使得赛文桥的断面形状也发生了变化,在扁平的中空箱梁的两侧伸出了像鱼鳍一样的悬臂板用来做人行道,在这之后,作为英国式悬索桥的加劲梁断面终于诞生了。
”
加劲梁由桁架向翼型断面箱梁的转变使悬索桥变得更加轻,更加经济了。
“箱梁断面的顶面全宽可以作为道路而有效的使用,外表面的涂装面积则大大减少,而且由于密闭,箱梁内部不需要补修涂装……,箱梁可在所有的方向有效地抵抗某个特定方向的作用力,如局部弯曲应力、竖直方向的弯矩、水平面内的弯矩、剪力和扭转力矩等等。
因此比限定的构件单纯抵抗某个方向作用力的桁架少用钢材,加劲梁重量减少了,主缆、塔、锚碇也就相应变小了。
箱梁的另一个优点是和桁架相比,风的抗力仅为1/3,由于塔顶主缆传来的水平反力是由桥面系70%的风力而产生的,风的抗力减少至1/3,无疑对塔的设计带来很大的影响”。
但是令人烦恼的是从恒伯尔桥建成的1981年开始,成为范例的带来世界悬索桥革命的赛文桥却出现了明显的结构构造问题。
首先是斜吊杆的振动非常激烈,有的吊杆甚至发生了断裂。
这是竖直吊杆从来也没有发生过的现象,于是立刻安装了制振装置或将吊杆的固定部用更坚固的部件更换,但这些措施并没有根本解决问题。
竣工后16年后,从1982年春季开始,技术杂志上频繁出现了赛文桥相关报道,内容涉及到好多问题,可见事态是非常严重的。
结论是赛文桥的建造虽然凝聚现代架桥技术的精华,当竣工后不过16~17年,却已经达到了结构疲劳的极限。
这使人感到风靡一时的赛文桥存在着某些实质上的缺陷,仅仅经过十几年的使用急剧损坏的事实,成为了自塔科玛桥垮塌以来最大的事件,桥梁技术人员收到了巨大的冲击。
现实的感觉赛文桥已经危在旦夕了,不得不投入2倍半的建设资金进行了补强加固。
赛文桥由于忽视了悬索桥的重量而造的太轻了,在风作用和车辆行驶作用下,成为极敏感的结构。
风洞试验的结果,虽然没有出现塔科玛桥那样的破坏振动,但却总是常常出现发出嘎啦嘎啦响声的振动。
1.3.20世纪末的悬索桥
在长大悬索桥变迁的题目之下来写20世纪悬索桥技术进步的过程,最后应写的是跨度为1991m的日本明石海峡大桥。
毫无疑问,这是20世纪也是人类迄今为止所架设的最大跨度的桥梁。
丹麦的大带东桥和日本的明石海峡大桥在西洋和东洋同时施工并顺利建成,这两座桥成为20世纪桥梁工程建设的壮举,为20世纪的桥梁工程建设画上了一个完美的句号。
但是,这两座巨大的悬索桥,如果不说建设时间的话,一座是翼型断面的加劲梁、混凝土的塔,另一座却是桁架加劲梁和带有X型斜杆的钢塔,形成了鲜明的对照。
“20世纪60年代中期以后,在欧洲架设的长大悬索桥几乎都采用了空气动力性能良好的扁平的翼型断面加劲梁,日本又为什么始终拘泥于采用美国风格的高大桁架呢?
就连明石海峡大桥也不例外,和本四的其他悬索桥一样,是不是表现出一种过时的形式呢?
当然不可能轻易地接受这样的意见:
“扁平的单箱梁断面颤振的发振风速较低,只有50~60mm/s,因此虽然提出了几个改良形式的断面,得到了满足设计的基准断面,但是由于箱梁用钢方案一些,施工架设中满足抗风要求有困难,在通航航路的海面上施工架设存在一些问题,而最终采用了桁架断面的加劲梁方案,而未采用箱梁方案”。
虽然没有正式的记载,但是赛文桥意想不到的老化、金属疲劳等损伤,使日本的桥梁技术人员十二分地考虑了赛文桥的教训,在选择加劲梁的断面形式上产生了重大影响。
20世纪才真正是长大悬索桥的发展时期,从美国开始的长大悬索桥的建造技术,60年代之后离开了北美传向了全世界,直至最终在日本架设了跨度近2000m的世界第一的明石海峡大桥。
长大桥的进步,绝不是在20世纪已经结束了,从世界上来看,意大利的墨西拿海峡、西班牙和摩洛哥的直布罗陀海峡以及人本的东京湾口、纪淡海峡,以及中国的等都有大规模的桥梁架设计划。
桥梁是使行人、车辆安全通过的结构物,因此设计时,不仅对人群和车辆荷载,而且也应对台风、地震等自然界的外力作用。
在超长大悬索桥设计时,地震和风那一个是更应该研究的项目呢?
1995年1月17日。
日本兵库县南部地震发生时,报纸和电视等新闻媒体都报道了架设中的明石海峡大桥移动了约1m,这样一来,回答是地震的读者可能多一些。
确实,当结构物的直下方发生巨大地震时,地基本身发生运动失去承载力时,地震的影响不能忽视。
但一般而言,桥梁结构随着跨度的增加,地震的影响却变小,对风的考虑却变得极为重要。
其原因是无论怎样的地震,其能量的峰值大约在比1~2s还短的周期处,难以激起固有周期最大可达30s左右的超长大悬索桥的共振现象。
下表是遭受重大风灾的悬索桥一览表,可见风对悬索桥有着怎样的影响。
仔细看下表,还发现悬索桥的风灾与跨度无关,其原因是不同的风速作用下,悬索桥可能产生不同的不稳定现象。
遭受风灾的悬索桥一览表
序号
桥名
所在国家
跨度
跨桥时间
1
干镇修道院桥
英国
79
1818
2
联合桥
137
1821
3
纳索桥
德国
75
1834
4
布莱顿桥
78
1836
5
蒙特罗斯桥
132
1838
6
梅奈海峡桥
177
1839
7
罗奇伯纳德桥
法国
195
1852
8
威灵桥
美国
309
1854
9
尼亚加拉——利文斯顿桥
317
1864
10
尼亚加拉——克利夫顿桥
384
1889
11
塔科玛桥
853
1940
1.4.采用拉索系统的新桥型
流线型的扁平箱梁和桁架相比,风荷载小且成桥后易于维修养护,因此,不用增加板厚提高扭转刚度,而是若能通过更经济的方法确保抗颤振稳定性的话,对于抑制建设费用增长是极为重要课题的超长大悬索桥来说,流线型扁平箱梁将是极有希望的加劲梁形式。
实际上,采用拉索系统提高扁平箱梁形式悬索桥颤振临界风速的研究已在活跃的进行。
(1)竖断面交叉索方式
竖断面交叉索方式是用细的拉索将悬索桥的加劲梁和主缆横向连接,从而提高耦合颤振的临界风速。
这种方式,常常也称为横吊杆方式,但是吊杆是有恒荷载的初期应力的,因此,按照严格的定义,又初期恒载应力的成为横吊杆方式,无初期恒载应力的则称为横拉索方式,以免引起误解。
有竖断面交叉索的悬索桥加劲梁扭转变形时,横拉索约束了斜的方向,结果是产生了加劲梁和主缆变形的面外成分,即竖断面交叉索的设置使悬索桥出现了扭转成分和面外成分耦合的复杂的振型,无疑耦合颤振解析得到的颤振振型也是复杂的。
传统基本形式的悬索桥产生的是垂直挠曲和扭转为主的耦合颤振,而设置竖断面交叉索后,则成为垂直成分、扭转成分,再加上相当大的面外成分的耦合颤振。
颤振的振型变得复杂了,但颤振临界风速却确实由60m/s上升到75m/s。
竖断面交叉索方式是现时最经济且确实能提高颤振临界风速的方案。
但是,当风作用时,加劲梁也会产生面外的静变位,因此,有时可能成为一侧的拉索退出工作而只有另一侧拉索工作的状态,为了解决这个问题,就要对拉索施加相当大的初始拉力,可这样一来,在平常荷载的反复作用下拉索受到某种损伤的话,台风时就不能有效地工作,因此,设计和研究即使在单侧工作状态下也能有效地发挥功能的竖断面交叉索系是非常必要的。
竖断面交叉索
(2)斜断面交叉索方式
和竖断面交叉索方式中拉索与主缆、加劲梁的连接点在同一竖直面内不同,斜断面交叉索方式中拉索与主缆、加劲梁的连接点不在同一竖直面内,两个连接点沿桥轴方向隔开一段距离。
中跨和边跨分别设置斜断面交叉索,似乎和竖断面交叉索设置后的效果相同,但是边跨设斜断面交叉索,中断面设竖断面交叉索后却有明显不同的效果。
边跨和中跨都是竖断面交叉索时,颤振临界风速为76m/s,边跨改斜断面交叉索后,颤振临界风速上升为80m/s。
当然,这时的振动分为垂直成分、扭转成分以及面外成分,还要加上桥轴方向成分的耦合,呈现复杂的颤振形式。
由此,当边跨设斜断面交叉索,中跨设竖断面交叉索,耦合颤振的临界风速将超过明石海峡大桥的78m/s。
但是单侧拉索工作时,临界风速却大幅下降到551m.s,研究发现竖断面交叉索即使在单侧有效工作状态,临界风速没有这样大幅度下降,因此,采用斜断面交叉索方式时,应设计成不会出现单侧有效工作的情况。
(3)主缆上交叉索方式
悬索桥以对称振型扭转振动时,主塔的两根塔柱则相对于桥轴方向反相位振动,如果能约束主塔的这种运动,当然会提高扭转对称振动频率,从而使耦合颤振的临界风速上升,因而提出将主缆用拉索横向连接的主缆上交叉索的方式。
设置交叉索的区间越长,塔顶的运动也可受到约束,从而提高耦合颤振的临界风速。
悬索桥以反对称振型扭转振动时,主塔在桥轴方向几乎不移动,因此,即使有交叉索也几乎不能使反对称的扭转频率提高,当反对称振型的耦合颤振在最低阶发生时,采用这种方式,就不能充分发挥作用,故在实际设计时,常将前述的交叉索方式和本方式合并使用。
以前的研究假定交叉索通常是两侧都处于有效工作状态,今后还应研究讨论单侧有效的工作状态。
主缆上交叉索
(4)单缆方式
悬索桥的加劲梁传统的做法是通过吊杆悬挂在两根主缆上的,而如果主缆只有一根,吊杆和加劲梁成三角形的算索桥称为单缆方式,这种形式的悬索桥是1947年首先由莱翁哈特提出的。
当扭转荷载作为静力荷载作用在单缆悬索桥时,加劲梁呈现钟摆一样的反应,加劲梁的重力产生了面外的恢复力,而使悬索桥整体的扭转刚度提高。
根据西奥多森平板空气力的颤振解析结果,这种方式和采用交叉索的方式具有相同的效果。
但是,和传统的两根主缆方式相比,加劲梁会有大的扭转变形,因此,在风作用下,有在更低的风速区发生扭转颤振的危险,设计时必须注意。
单主缆悬索桥
(5)双缆单鞍座方式
两根主缆在主塔附近集束成一根的方式称为双缆单鞍座方式。
门型主塔的一般悬索桥,以对称振型扭转振动时,主塔的两个塔柱在桥轴方向侧反相位振动,而双缆单鞍座方式却因在主塔附近主缆集束成一根而可以采用A型塔,约束了主塔对桥轴方向反相位的振型,因此这种方式几乎不能改变垂直弯曲频率,但对称一阶扭转频率却确实提高了,这样一来,提高了耦合颤振的临界风速。
(6)悬索——斜拉协作体系
悬索桥和斜拉桥的组合方式称为迪辛格方式。
是迪辛格1938年在做某做桥的方案必选时提出的,以后就将这种方式以他的名字命名。
遗憾的是当时没有采用这个方案,以后,也没有进行详细的结构构造研究。
但是,这种方式吸收了悬索桥与斜拉桥的优点而弥补了其缺点。
因此近年来,作为超长大悬索桥的一种桥梁形式受到注目。
(7)混合双悬臂组合体系
林同炎在直布罗陀海峡桥设计中,提出带有斜撑的多跨5000m混合双悬臂组合体系方案。
其特点是用双悬臂来支承距桥墩1000m范围内的桥面,以降低主缆的荷载,并起着对3000m跨中部分的支承作用。
分析表明,无论是在静力学或动力学方面,5000m跨径均可降到相当于一般的3000m的悬索桥。
多跨混合双悬臂组合体系
(8)垂直悬索与倾斜拉索组合体系
瑞士学者Menn教授提出一种适用于超大跨径桥梁或宽跨比很小的桥梁的新结构体系构思。
该体系中传统框架式桥塔由带面外斜拉索塔的倒Y形塔柱代替,中央塔柱通过斜拉索支撑面外斜拉索塔,面外斜拉索塔再通过斜拉索支撑加劲梁。
中央塔柱、面外斜拉索塔和加劲梁通过斜拉索相连,组成了一个稳定的空间体系。
竖向荷载主要由垂直悬索系统承担,而桥梁的气动稳定、静风稳定及静力稳定则通过设于加劲梁两侧倾斜的斜拉索体系来保证。
如果需要限制加劲梁内的压力,也可以将部分斜拉索地锚,形成部分地锚斜拉体系。
垂直悬索与倾斜拉索组合体系
(9)分裂型悬索桥方案
这种方案主要是为了提高悬索桥的横向稳定性,2个分离的桥面分别悬吊在2个分离的桥塔和缆索系统,并用横向连接系连接2个分离的桥面。
日本学者野林国腾曾对跨径1900m的这种悬索桥方案进行了分析,发现在设计风速下,分裂型悬索桥的扭转角仅为传统悬索桥的1/5,因而说明了这种体系具有更大的扭转刚度。
同时,风洞试验表明这种悬索桥方案也具有良好的气动稳定性。
分裂型悬索桥
(10)刚性吊杆
传统悬索桥设计中,基本都采用高强钢丝或钢绞线组成的柔性吊杆。
采用刚性吊杆主要是为了减少2根平行主缆之间的竖向相对位移,约束桥面的扭转振动,从而提高悬索桥的扭转刚度。
对下图所示的3种刚性吊杆形式进行了动力特性和颤振分析,结果表明刚吊杆、铰链架、刚吊架3种吊杆形式的气动稳定性基本一致,当刚性吊杆布置在中跨的1/3处附近时,能够有效地提高悬索桥的扭转频率,颤振临界风速也可以提高到原来的60%左右。
日本学者Iwamoto对主跨为2500m的3跨连续悬索桥在中跨的0.36和0.64处设置了2个刚吊架,通过计算也发现采用刚吊架后结构的颤振临界风速得到了显著的提高。
刚性吊杆
1.5.空气动力学措施
气流绕过桥梁截面时,发生相互作用而产生空气作用力,而截面气动外形的改变势必会影响到空气力。
因此,改善气动稳定性的另一途径是通过改善桥梁断面的外形来减小气动力。
(1)边缘风嘴措施
在加劲梁截面两端设置风嘴,可以改善气流绕流的流态,减少涡脱,使截面趋向流线型。
颤振分析和试验研究表明,这种措施能有效地提高悬索桥的颤振稳定性,而且风嘴的尖端角度越小,对颤振稳定性的改善越大;
而在尖端角度相同的情况下,尖端长度较大的风嘴的气动性能就越好。
(2)中央开槽措施
传统的流线型箱形断面中间开槽,可以增加透风率,减小加劲梁顶底面的压力差。
试验和分析都显示中央开槽的闭口箱梁的颤振临界风速将得到一定程度的提高,而且随着开槽宽度的增加桥梁的颤振临界风速会继续上升。
已建成的香港青马大桥为主跨1337m的悬索桥,采用了开槽箱形断面。
在Messina海峡桥方案的研究中,理论分析和风洞实验的结果都表明,采用开槽箱形主梁断面,可得到令人满意的抗风性能。
(3)分离箱梁方案
分离式箱梁设计,实际上是箱梁中心开槽思想的拓展,即通过分离箱梁间的开放空间增加透风率,减小加劲梁顶底面的空气压力差从而增加气动稳定性。
同时这一方案保持了传统闭口箱梁结构的优点,如空气阻力系数小、涡振性能好等。
有关的计算和试验结果表明,这种方案对提高超大跨径悬索桥的抗风稳定性是卓有成效的。
主跨为3300m的墨西拿海峡桥采用下图a所示的总宽度为60m的3主梁方案,其颤振临界风速达到80m/s。
在直布罗陀跨海工程的方案竞赛中,下图b所示的多跨双主梁的悬索桥方案被采用,对于主跨3550m和5000m的2种方案,其颤振临界风速分别为76m/s与67m/s。
同时,随着箱梁间距离的增大,颤振临界风速随之明显上升。
但是,随着开槽宽度的增加,这种解决方案将比传统的单箱梁方案消耗更多的材料,造价更昂贵。
a.墨西拿海峡桥的3主梁方案
b.直布罗陀跨海桥的双主梁方案
1.6.机械措施
机械措施主要是在加劲梁上安装一些辅助装置来增大结构的阻尼,并减小作用在结构上的气动力,从而达到提高悬索桥气动稳定性的目的。
这种装置主要有2类,一类是阻尼器,另一类是在加劲梁断面的迎风、背风边缘安装的控制面。
当加劲梁在气流作用下发生振动时,利用作用在控制面上的气动力来增大结构振动的阻尼,从而提高颤振临界风速。
根据控制原理的不同又可分为主动控制和被动控制。
(1)阻尼器
为了间接地提高结构的阻尼,调谐质量阻尼器(TMD)(下图)在土木结构中得到了广泛的应用。
TMD是由质量块、弹簧和阻尼器组成的一个复杂的机械装置,是一种不需要能量供给的减振装置,其制振减振原理是将主结构的振动能量传递到频率相近的阻尼器上,然后加以耗散,从而达到减小结构振幅的目的。
调质阻尼器除了可以有效改善大跨桥梁的抖振和涡振性能外,还能提高桥梁的颤振稳定性。
顾明通过试验进行了调质阻尼器对颤振控制的研究,结果表明:
调质阻尼器可以有效地提高悬索桥的颤振临界风速,而且对于低阻尼钢箱梁的控制效率比较好。
调质阻尼器的优点还在于它的低造价和简便性。
调谐质量阻尼器TMD
(2)主动控制措施
控制面的主动控制措施是在加劲梁的迎风、背风边缘安装上控制面,如图a所示。
这些控制面完全与加劲梁分离,以避免造成二者之间的气动干扰。
通过合理地反馈控制,利用主动输入的能量调整控制面运动的振幅和相位,以产生对系统振动起稳定作用的气动力,来达到抑制颤振发生的作用。
为了保证超大跨径悬索桥的抗风稳定性,已有研究中提出了如图b所示的各种控制方法,主要有在主梁上安装可动翼板、在桥梁的迎风侧安装竖直可动板以及在主梁的迎风和背风面安装可动板或可动风嘴等。
a.主动控制原理示意
b.主动控制方法
控制面主动控制的优点是几乎可对任意风速都能进行反馈控制抑制颤振发生,其缺点是需要致动器、传感器、控制设备(执行、实现控制流)和外部能量输入等较复杂的控制系统。
此外,采用主动控制措施需要2~3个并行的工作控制系统以保证其可靠性,因为控制系统的失灵很可能导致桥梁结构的毁坏。
目前主动控制措施还没有用于实际结构,但已有学者在工程可行性研究阶段提出采用主动控制措施。
然而必需指出,即使主动控制措施具有非常好的效果,在应用到实际工程之前,必需先考虑其工程可行性。
(3)被动控制措施
被动控制措施都采用固定在桥梁迎风或者背风面的翼板形式,如下图所示,以此来增加扭转或垂直振动阻尼,同样也可增加耦合振动阻尼。
被动控制方法
分析表明,在主梁上方和背风侧布置翼板,可以明显提高悬索桥的颤振临界风速。
但在迎风侧和背风侧都布置翼板的方案,对提高悬索桥的气动稳定性效果却不大。
为了解决墨西拿海峡桥的颤振问题,Brown领导的设计组提出了在分离梁基础上,再在主梁上方安装翼板(其与主梁上的外侧风屏连接在一起),由于翼板可对扭转振动与弯曲振动提供非常大的气动阻尼,故该桥的颤振稳定性还有大幅度的提高,临界风速将超过100m/s。
因此,在墨西拿海峡桥的最终设计中,两种气动措施均被采用。
采用控制面进行被动控制的方法,虽然不像主动方法那样可对任意风速都能解决颤振问题,但这种方法显然更为简便、可靠,易于为桥梁工程师所接受。
2.桥梁抗震研究进展
随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展,对交通线的依赖性越来越强,而一旦地震使交通线遭到破坏,可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。
近二十余年来,全球发生了多次破坏极大的地震,如1989年美国LomaPrieta地震,1994年美国Nothridge地震以及1995年日本阪神大地震等,而且损失一次比一次惨重。
几次大地震一再显示了桥梁工程遭到破坏的严重后果,也一再显示了对桥梁工程进行正确抗震设计的重要性。
大跨度桥梁是交通运输的枢纽工程,投资大,对国民经济有着重大的影响,因此,进行正确有效的抗震设计,确保其抗震安全性具有更加重要的意义。
2.1.大跨度桥梁抗震设计实用方法
“小震不坏,中震可修,大震不倒”的分类设防抗震设计思想已广为接受,也已被有些规范采用。
1997年,美国应用技术委员会完成了一个科研项目(ATC-18),查阅了世界各国的公路工程抗震设计规范,并提出了改进美国公路桥梁抗震设计规范的若于建议[1]。
其中,最主要的建议是要采用两水平的抗震设计方法(two-leveldesignapproach),即要求结构在两个概率水平的地震作用下,分别达到两个不同的性能标准。
现行的日本规范已采用这一方法。
可以预见,两水平的抗震设计方法不久将会被各国的抗震设计规范所采用。
另一方面,能力设计思想已越来越广泛地被国内外专家学者所接受。
能力设计思想要求在一座桥梁内部建立合理的强度级配,以保证地震破坏只发生在预定的部位,而且是可控制的。
具体来说,要选择理想的塑性铰位置并进行仔细的配筋设计以保证其延性抗震能力;
而不利的塑性铰位置或破坏机制(脆性破坏)则要通过提供足够的强度加以避免。
本文认为大跨度桥梁的抗震设计应分两个阶段进行:
(1)在方案设计阶段进行抗震概念设计,选择一个较理想的抗震结构体系;
(2)在初步或技术设计阶段进行延性抗震设计,并根据能力设计思想进行抗震能力验算,必要时要进行减隔震设计提高结构的抗震能力。
大跨度桥梁抗震设计方法
2.2.抗震概念设计
地震灾害告诉我们:
对结构抗震设计来说,“概念设计”(ConceptualDesign)比“计算设计”(NumericalDesign)更为重要。
由于地震动的不确定性和复杂性,再加上结构计算模型的假定与实际情况的差异,使“计算设计”很难有效地控制结构的抗震性能。
因而,不能完全依赖“计算”。
结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。
因此,在桥梁的方案设计阶段,不能仅仅根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍,还应考虑桥梁的抗震性能,尽可能选择良好的抗震结构体系。
在进行抗震概念设计时,特别要重视上、下部结构连接部位的设计,桥墩形式的选取,过渡孔处连接部位的设计,以及塑性铰预期部位的选择。
为了保证所选定的结构体系在桥址的场地条件下确实是良好的抗震体系,须进行简单的分析(动力特性分析和地震反应估算),然后
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 悬索桥 抗震 汇总
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)