河口大桥地震响应及索力测试方法研究.docx
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河口大桥地震响应及索力测试方法研究
河口大桥地震响应及索力测试方法研究
重庆大学硕士学位论文
(学术学位)
学生姓名:
指导教师:
教授
专业:
土木工程
学科门类:
工学
重庆大学土木工程学院
二O一五年五月
ResearchontheseismicresponseandthecabletensiontestmethodofHekoubridge
AThesisSubmittedtoChongqingUniversity
inPartialFulfillmentoftheRequirementforthe
Master’sDegreeofEngineering
By
SupervisedbyProf.
Specialty:
CivilEngineering
CollegeofCivilEngineeringof
ChongqingUniversity,Chongqing,China
May,2015
摘要
河口大桥是兰州至永靖沿黄河快速通道的重点桥梁工程,同时是一座修建在高烈度区的大跨径的结合梁斜拉桥,,所以有必要对其动力特性及地震响应进行研究。
不同的索力状态,对应着不同的主塔和主梁的内力状态,当结构承受地震作用时,就会产生不同的响应。
索力测试方法的正确与合理可以保证结构的成桥受力状态达到设计预期的要求,从而保证结构的地震响应可以达到抗震设计的意图。
本文在简述地震反应分析基本理论的基础上,以河口大桥为工程背景,对该桥进行反应谱分析、时程分析和索力测试的研究。
主要研究内容有以下几点:
(1)简要地介绍了国内外斜拉桥的发展现状、抗震分析研究现状,分析常见的斜拉桥的震害和原因,指出抗震分析的必要性,并扼要地概括了大跨度斜拉桥地震响应常用的分析方法。
(2)利用大型有限元分析计算软件Midas/Civil,通过对斜拉桥结构进行适当的简化,建立其空间计算模型。
在不考虑桩基与地基土对结构作用的情况下,计算并分析结构的动力特性。
得出本桥的一阶频率0.15334Hz,结构周期为6.52s,表明结构的自振周期较长,有利于抗震。
(3)对结构进行反应谱分析。
计算出结构在不同荷载工况下的地震响应,其计算结果表明:
在单向地震作用下,主塔的位移响应对纵向地震作用最为敏感而主梁的位移响应对横向地震作用最敏感,另外,对整体结构而言,以横向地震作用引起的内力响应为最大;在组合地震作用下,结构响应明显增大;应注意提高桥塔纵向和主梁横向的抗震能力。
(4)对于大跨径斜拉桥而言,仅通过反应谱分析了解其地震响应是不够的。
因此,根据规范的要求选取三类地震波对结构进行时程分析,探讨和比较了结构在不同荷载工况下结构的动力响应,当荷载工况相同时,三类地震波引起的地震响应的规律大体一致;当荷载工况不同时,以横向地震作用为主的工况引起的地震响应较大。
最后,在相同的工况下,比较反应谱分析和时程分析的计算结果,总体而言,在一致激励的情况下,反应谱分析的结果与时程分析的结果相比偏小。
(5)总结索力测试常用理论,指出一般索力测试公式的缺点。
分析索力测试的难点,包括如何考虑垂度、抗弯刚度等因素对索力测试的影响。
并就每一个难点给出相应的解决方法,重点分析索力测试中的调索问题。
最后,基于有限元原理,给出实用的索力测试方法,该方法能够考虑抗弯刚度,垂度的影响,适用于索力快速准确的测试。
关键词:
斜拉桥,反应谱分析,时程分析,动力响应,索力测试
ABSTRACT
HekouBridgeisanimportantbridgeprojectwhichisafastchannelfromLanzhoutoYongjingalongtheYellowRiver.MeanwhileHekoubridgeisalongspancablestayedbridgewithcompositegirder,whichisbuiltinhighlyseismicregion.Soitisnecessarytoinvestigateitsdynamicpropertiesanditsseismicresponse.Differentcableforcescorrespondwithdifferentinternalforcesofthemaingirderandthemaintower.Thecorrectnessandrationalityofthetestofcableforcecanensurethattheconstructedbridgecanreachthedesign’sdemandandfurthermoreensuretheseismicresponsecanreachthedesign’spurpose.
Inthispaper,introducethebasictheoryofseismicresponseanalysis,andthenusethemethodsofresponsespectrumanalysisandtime-historyanalysistoinvestigatethebridge’sseismicresponseandfinallyinvestigatethemethodofthetestofcableforce.Themainresearchpointsareasfollows:
(1)Brieflyintroducethedevelopmentofcable-stayedbridgeinChinaandabroad.Meanwhile,introducethepresentresearchsituation,themethodsaboutanti-seismicanalysis,thecommonseismicdestructionandreasonofthecablestayedbridge,andthenecessityofanti-seismicanalysis.
(2)UsethesoftwareofMidas/Civilwhichisageneralfiniteelementsoftware,toestablishthespatialfiniteelementmodelofthecablestayedbridgethroughadequatesimplificationandcalculateandanalysisthedynamicpropertiesofthebridge,whichdon’tconsideratethepile-soil-structure-interaction.Theresultshowsthattheprimaryfrequencyofthebridgeis0.15334Hz,thestructuralperiodis6.52s,andalsoshowsthatthestructurehasalongperiod,whichisgoodforearthquakeresistance.
(3)Applythemethodofresponsespectrumanalysistocalculatethebridge’sseismicresponseindifferentworkingcondition.Theresultshowsthatthedisplacementresponseofthemaintoweristhemostsensitivetothelongitudinalearthquakeinputwhiletheoneofthemaingirderisthemostsensitivetothetransverseearthquakeinputinsingledirectionearthquakeinput.What’smore,thetransverseearthquakeinputresultinthebiggestinternalforce.Tothewholestructure,theincreaseoftheresponseofthestructuresubjectedtothecombinativeearthquakeinput,isobvious,anditisnecessarytostrengthentheseismiccapacityofthemaintower’slongitudinaldirectionandthemaingirder’stransversdirection.
(4)Itisnotenoughtostudytheseismicresponseofthelongspancablestayedbridgeonlythroughresponsespectrumanalysis.Accordingtorelevantcriterion,selectthreekindofearthquakeactionintheprocessoftime-historyanalysis,discussandcomparethestructure’sdynamicresponseindifferentkindofearthquakeinput.Theseismicresponsecausedbythethreekindofearthquakeactionsinthesameworkingconditionaresimilar,andthetransverseworkingconditionindifferentworkingconditioncausethebiggestresponseofthestructure.Finallycomparetheresultoftime-historyanalysiswiththeresultofresponsespectraanalysisinthesamekindofworkingcondition.Inaword,theresultofresponsespectraanalysisismoresmallerthantheoneoftime-historyanalysis.
(5)Summarizethecommontheoriesofthetestofthecabletension,theweakpointofthecommonformulas,andthedifficultyofthetestsuchashowtoconsiderthesagandflexuralrigidityofthecable,andgivethesolutionofthedifficultyandfinallygivepracticalmethodofthetestofcableforce.Analyzethecabletensionadjustmentinthecabletensiontest.Themethodisbasedonfiniteelementmethodandcanconsiderthesagandflexuralrigidityofthecable
Keywords:
cable-stayedbridge,responsespectrumanalysis,time-historyanalysis,dynamicresponse,thetestofcabletension
目录
摘要I
ABSTRACTIII
目录V
1绪论1
1.1斜拉桥概述1
1.2斜拉桥的发展1
1.3斜拉桥抗震研究的意义2
1.4斜拉桥抗震中存在的难点和不足2
1.5研究目斜拉桥的震害及原因3
1.6本文研究内容4
2地震响应分析方法的简介5
2.1静力理论5
2.2反应谱理论5
2.3时程分析法理论6
2.4随机振动法6
3大跨度斜拉桥的动力特性分析7
3.1大型有限元软件MidasCivil的简介7
3.2河口大桥工程概况7
3.3斜拉桥动力模型的建立10
3.3.1斜拉桥主要构件的模拟10
3.3.2边界条件的模拟11
3.3.3斜拉桥动力特性计算11
4河口大桥的地震反应谱分析17
4.1反应谱理论的简介17
4.2反应谱分析结果19
4.2.1单向地震作用下结构的响应22
4.2.2各个方向的地震作用组合时结构的响应28
5河口大桥的动力时程分析34
5.1地震动力响应的时程分析34
5.2时程分析法的计算原理34
5.3地震波的选取35
5.4第一类地震波作用下结构时程分析的结果38
5.5第二类、第三类地震波作用下结构时程分析的结果50
5.6反应谱分析的结果与时程分析的结果的对比61
6斜拉桥索力测试方法研究66
6.1索力测试的原理66
6.2索力测试的难点68
6.3斜拉索测试难点的解决办法69
6.4斜拉索索力测试中应该注意的问题72
7结论与展望76
7.1结论76
7.2展望78
致谢80
参考文献82
1绪论
1.1斜拉桥概述
斜拉桥造型优美,同时有着强大的跨越能力,在大跨径桥梁的比选中,有一定的优势。
斜拉桥之所以能够实现大跨径是因为斜拉桥可以看作由斜拉索支承的多点支承连续梁,因此,梁体索距之间的弯矩就得以减少,同时斜拉索带来的轴向压应力也提供了纵向预应力,所以斜拉桥能够有比较大的跨径[]。
斜拉桥体系按桥塔数目可分为独塔双跨体系、双塔三跨体系和多塔体系;按索面横向布置可分为单索面体系、双索面体系和空间倾斜索面体系,按主梁使用材料可分为钢主梁、预应力混凝土主梁、叠合梁、钢与混凝土混合梁等体系,按结构体系的不同可分为漂浮体系、支承体系(半漂浮体系)、塔梁固接体系和刚构体系。
下面重点论述斜拉桥的常用体系:
(1)漂浮与半漂浮体系:
该种体系仅在主梁梁端支承处约束主梁竖向位移,主梁可以在纵向做一定的漂移,因此可以减小温度、收缩、徐变引起的结构次内力。
这种体系的桥梁整个主梁的跨径范围内,横向约束较小,不利于抗震,应该注意加强其横向约束。
半漂浮体系的结构特点是塔墩固接,塔梁分离,与漂浮体系的结构特点相似,但主梁在塔墩上设置支点,同时设置活动支座,并在桥台和塔墩处设置侧向水平约束。
(2)塔梁固接体系:
该种体系,当结构受到满跨的恒载的作用时,由于主梁与主塔的固接作用,主梁会带动主塔朝着中跨跨中方向发生纵弯,需要特别注意桥塔塔顶的纵向位移,同时该种体系的斜拉桥,主梁主塔连成一体,通过支座将巨大的自重传递给桥墩,因此,对支座的要求较高。
梁塔刚度比对内力和位移有较大的影响。
(3)刚构体系:
此种结构体系刚度较大,适合悬臂施工,挠度较小,动力性能比较差,而在主梁与主塔,主塔与桥墩固接处容易产生较大的负弯矩,应该针对这些截面做适当的承载能力的增强[]。
1.2斜拉桥的发展
通过查阅文献我们可以知道,斜拉桥知道20世纪上中期,才开始得到较快的发展。
斜拉桥在20世纪获得迅猛的发展的原因可综合如下:
(1)模型试验技术的发展。
斜拉桥是由塔、墩、梁、支座等结构构件组成而又彼此相互作用才形成的复杂结构,结构特殊部位受力复杂,同样其抗风、抗震、疲劳等方面的性能,都难以通过理论计算来完全了解,所以,需要通过做实验来寻求很多问题的答案。
(2)高强拉索和高耐疲劳锚具的发展。
斜拉索过大的轴向变形会影响桥梁的正常使用,斜拉索的端部位移受索断面及索弹性模量和垂度的影响,而考虑垂度的斜拉索的刚度与斜拉索应力的三次方成比例,所以,斜拉索必须使用高强度钢材另外,斜拉桥活载引起的应力变化较大,对锚具的耐疲劳强度提出较高的要求。
(3)新结构形式的发展。
早期斜拉索很少使用普通钢筋混凝土截面,因为混凝土材料自重大,进而引起较大的结构内力和变形,而采用钢主梁,造价高,限制了斜拉桥的发展,但随着材料的进步,理论的成熟,新的结构形式的发展,电子科学技术的发展,人们有能力建造出相对廉价,且具有一定承载能力的斜拉桥。
新的结构形式一方面造价更便宜,另一方面受力更为合理。
(4)先进的结构计算理论的发展。
先进的结构计算理论可以完成抗风、抗震、抗疲劳,车桥耦合作用,复杂应力区的应力,索力优化,稳定性等静动力特性的计算。
(5)轻型结构的发展。
轻型结构如结合梁主梁形式的斜拉桥,由于截面由钢结构和混凝土桥面板通过剪力钉的连接组合而成,因此这种形式的主梁既具有钢结构的质量较小,抗拉能力和抗压能力都比较强的优点,同时具备混凝土造价便宜,抗压强度较高的优点。
另外正交异性板设计计算和制造方法的成熟,为钢斜拉桥的发展创造了条件[]。
1.3斜拉桥抗震研究的意义
大跨度斜拉桥一般都是交通运输系统的枢纽工程,是生命线工程的重要组成部分,其功能重要,投资大,一旦在地震中遭到破坏,使救灾工作难以进行或大大延缓,次生灾害加重,导致巨大的经济损失和生命损失,因此对斜拉桥进行正确有效的抗震设计,确保其抗震安全性对于抗震防灾和震后恢复重建工作具有重要意义[]。
1.4斜拉桥抗震中存在的难点和不足
(1)有待完善的抗震设计规范。
抗震规范还需要完善,主要表现在以下几点:
1、对于超大跨径的桥梁结构而言,规范里边难以相应的抗震设计;2、对于一些复杂的抗震问题,由于规范难以解决,通常交由高校科研团队完成其相关问题的分析;3、规范未能吸收国内外抗震方面新的科研成果。
(2)尚且缺乏一种快速地、有一定精度的、简便易用的抗震方法。
斜拉桥结构的模型节点多,单元也多,更有复杂的边界条件需要处理,其本身的复杂性决定了其动力性能的复杂性,在程序或者软件运行中,通常采用积分的方法,计算时间较长。
因此,当前在做斜拉桥的抗震分析中,迫切地需要一种简便快速且能满足工程对精度要求的计算方法。
(3)非线性问题。
斜拉桥抗震中包含着诸多非线性问题,包括主梁在大轴力和大弯矩的作用下,两种内力相互作用的问题,可能引起大变形的问题,包括斜拉索本身的自重导致它的垂度的问题,包括减隔震支座的处理问题,包括抗震消能装置的模拟的问题,包括截面进入塑性状态后如何处理的问题。
这些非线性问题比较复杂[]。
1.5研究目斜拉桥的震害及原因
没有经过抗震设计或者抗震设计不足桥梁结构在地震作用下会发生不同程度的破坏,一般的表现有。
(1)支承连接部位的震害:
当桥梁结构受到比较强震的作用时,会在约束其变形的截面处产生强大抵抗约束变形的能力,如主梁可能发生强烈的扭转变形同时耦合较大的竖向变形,进而在一侧的支座产生极大的拉力,有可能把支座对结构的约束拉断,进而使结构失去约束,而可能发生梁体掉落的现象;另外,如果纵向地震作用比较明显,使梁体发生明显纵向运动,就会导致主梁脱离桥台,边跨的主梁的受力就会瞬间增大,进而可能把桥塔拉向边跨一侧,从另一个侧面加大了桥塔塔顶的纵向的位移进而增大了桥塔塔底的内力。
(2)下部结构和基础的震害:
当斜拉桥受到比较明显的水平向地震作用时,桥墩桥台可能会发生剪切破坏,剪切破坏是比弯曲破坏更为严重的破坏,会瞬间导致,斜拉桥的上部结构失去支承而导致坍塌。
另外,由于地面运动的复杂性,基础可能发生移位,不同的基础之间或者基础与桥塔之间的相对移位不一样,对于高次超静定结构而言,会导致结构产生次内力,同时下部结构移位或者失效可能会导致上部结构的崩溃。
(3)上部结构的破坏:
上部结构在支座体系失效时便失去了约束,可能发生落梁的情况,梁体与地面的碰撞导致梁体的难以修复。
因此,这一类破坏多半是由支座支承体系的失效引起的,另外梁体发生挠曲屈服的情况也有,在纯钢结构的桥梁中可能会发生这种情况。
除此之外,桥台的沉陷,各个桥墩之间不一样的相对移位,桥台护坡的坍倒,这一类破坏会造成梁体线形的畸形,难以满足快速抢险救灾的要求。
以上各类震害分析其原因,有以下几条:
(1)墩柱的失效:
通常情况下,普通钢筋混凝土墩柱在强震作用下,可能被剪坏,或者是在墩柱的连接部位进入弯曲屈服后,其延性不够,可能会引起承载能力不足引起的破坏。
因此抗震措施中,需要重点关注墩柱与承台连接的部位或者墩柱与盖梁连接的部位的抗震能力的设计。
(2)非一致激励的问题:
实际地震作用时,每一个支撑点出传来的地震强度大小不一。
这导致的一个问题是不同支撑点的相对位移会比较大,相对位移的存在,不仅会加大结构的内力,而且可能会发生梁体坍落的情况,而较大的相对位移可能会导致较大的剪力的产生,对桥梁结构的抗剪能力压力较大[]。
(3)结构体系、施工状态、抗震构造:
不同的结构体系在相同地震的作用下,会造成不同程度的损害;悬臂施工状态和成桥状态,结构的抗震能力是不一样,因为不同的施工状态,结构的刚度,质量等都会发生变化;抗震构造措施做得不到位会导致相应的构件破坏。
(4)下部结构的沉降,边坡的移动或者破坏,可能会导致基础的失效,从而导致梁体坍落的后果[]。
1.6本文研究内容
本论文重点进行研究的对象,有以下四个:
(1)使用通用有限元软件Midas/Civil建立河口大桥的空间有限元模型;
(2)计算了河口大桥的动力特性包括振型、周期、频率、振型参与因子等;
(3)对河口大桥进行反应谱分析,分别输入三个单向地震作用及组合地震作用,探讨结构在单向地震作用及组合地震作用下的动力响应。
(4)根据规范选取三类地震波,对河口大桥进行了两种组合工况下的时程反应分析,比较不同地震作用下时程分析的计算结果。
最后,比较相同工况下时程分析和反应谱分析的计算结果。
(5)总结了索力测试常用到的理论和公式,分析现场索力测试的难点及其解决方法,并给出索力测试的注意事项及使用索力测试方法。
2地震响应分析方法的简介
地震响应的分析方法,在早期由于理论的还不够完善,一般使用静力理论进行分析,静力理论是一种拟动力学的理论,不精确。
随着抗震设计理论的发展,出现了反应谱分析法、时程分析法以及随机振动法。
后一种方法属于随机性分析的范畴,前面两种方法属于确定性分析的范畴。
2.1静力理论
静力理论最先由大房森吉提出,其思路为:
用结构的质量乘以地震动的加速度即得作用于结构上的地震力,公式如下:
将此惯性力作用于结构之上,求出结构的内力和位移作为结构的地震响应。
这种方法的局限性,主要表现在:
1、考虑不到结构本身的动力特性
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