混凝土斜拉橋橋塔有限延性設(shè)計理論與方法研究

由于缺乏對斜拉橋在地震作用下的損傷和破壞過程的基礎(chǔ)研究，我國目前的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范要求在偶遇地震作用下，斜拉橋的橋塔也需基本保持彈性。為達(dá)到此性能目標(biāo)，在工程實(shí)踐中往往需要在滿足靜力需求的基礎(chǔ)上大幅度提高塔底和橫梁的配筋率，造成經(jīng)濟(jì)上的不合理，同時也增加了下部基礎(chǔ)的抗震需求。因此，本項(xiàng)目針對斜拉橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，重點(diǎn)圍繞考慮斜拉橋橋塔滯回耗能的非線性地震反應(yīng)與延性需求、性能目標(biāo)與延性指標(biāo)以及抗震性能三個主題進(jìn)行了研究。結(jié)合數(shù)值理論分析，進(jìn)行了中等跨度斜拉橋橋塔模型擬靜力試驗(yàn)和全橋模型振動臺試驗(yàn)，研究橋塔的非線性損傷過程，確立各構(gòu)件合理的性能目標(biāo)及其與各層次構(gòu)件之間的損傷量化關(guān)系，提出了中等跨度斜拉橋有限延性抗震設(shè)計的初步延性性能指標(biāo)：以可修復(fù)性損傷狀態(tài)作為H型混凝土橋塔的性能目標(biāo)，其對應(yīng)的材料層面的要求為縱向鋼筋應(yīng)變小于0.55倍極限拉應(yīng)變，約束混凝土小于0.75倍極限壓應(yīng)變；結(jié)構(gòu)層面的位移角限值為下橫梁相對于地面的層間位移角不超過0.0163，上橫梁相對于下橫梁的層間位移角不超過0.0183。但值得一提的是，該性能指標(biāo)的量值目前還不能直接應(yīng)用到除原橋以外的實(shí)際工程，但本項(xiàng)目提出的思路和研究方法完全可以針對特定的斜拉橋進(jìn)行計算分析，得到定量的性能指標(biāo)。針對H型混凝土橋塔的斜拉橋，本項(xiàng)目結(jié)題后的研究工作將提供考慮不同軸壓比和上、下橫梁與塔柱相對高度位置變化的相對通用性能指標(biāo)，通過后續(xù)的試驗(yàn)和理論研究不斷的完善已提出的有限延性性能指標(biāo)，最終建立的有限延性指標(biāo)將對斜拉橋的抗震設(shè)計提供更為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案。 2100433B

由于缺乏對斜拉橋在地震作用下的損傷和破壞過程的基礎(chǔ)研究，我國目前的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范要求在偶遇地震作用下，斜拉橋的橋塔也需基本保持彈性。為達(dá)到此性能目標(biāo)，在工程實(shí)踐中往往需要在滿足靜力需求的基礎(chǔ)上大幅度提高塔底和橫梁的配筋率，造成經(jīng)濟(jì)上的不合理，同時也增加了下部基礎(chǔ)的抗震需求。因此，本項(xiàng)目提出了橋塔采用有限延性設(shè)計的抗震新策略。針對結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，重點(diǎn)圍繞考慮斜拉橋橋塔滯回耗能的非線性地震反應(yīng)與延性需求、性能目標(biāo)與延性指標(biāo)以及抗震效能三個主題開展研究。結(jié)合數(shù)值理論分析，進(jìn)行中等跨度斜拉橋橋塔模型擬靜力試驗(yàn)和全橋模型振動臺試驗(yàn)，研究橋塔的非線性損傷過程，確立各構(gòu)件合理的性能目標(biāo)及其與各層次構(gòu)件之間的損傷量化關(guān)系，進(jìn)而建立混凝土橋塔有限延性抗震設(shè)計理論并提出相應(yīng)的設(shè)計方法，研究其有限延性能力及其影響因素。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合典型中等跨度混凝土斜拉橋，評估橋塔經(jīng)有限延性設(shè)計后混凝土斜拉橋的整體抗震效能。

《橋梁延性抗震設(shè)計》針對當(dāng)前國內(nèi)公路橋梁抗震設(shè)計中存在的主要缺陷，論述了橋梁延性抗震設(shè)計的基本概念、理論和方法。其中，重點(diǎn)介紹橋梁簡化的延性抗震設(shè)計理論及改進(jìn)的抗震設(shè)計方法。書中還對如何保證結(jié)構(gòu)的整體延性，進(jìn)行了詳細(xì)的討論。《橋梁延性抗震設(shè)計》介紹的內(nèi)容，為作者近年來在該領(lǐng)域的研究成果，也是作者正在編寫的《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》的理論背景材料之一。

《橋梁延性抗震設(shè)計》可供從事抗震工程設(shè)計、研究和施工的工程技術(shù)人員參考，也可作為高等院校橋梁專業(yè)研究生和高年級本科生的教學(xué)參考用書。

斜拉橋的最早工藝技術(shù)發(fā)展于德國。一些重要技術(shù)進(jìn)展也都在50年代與60年代中出現(xiàn)在德國，而且建筑材料以鋼為主。

90年代在法國的世界最大跨度斜拉橋（諾曼底大橋）與日本的一些杰出的斜拉橋中，斜拉橋的工藝技術(shù)正在繼續(xù)得列發(fā)展。建橋材料仍以鋼為主。但世界上的某些國家與地區(qū)，由于當(dāng)?shù)氐墓I(yè)、技術(shù)、資源與傳統(tǒng)的關(guān)系，傾向于修建混凝土斜拉橋，我國也是這佯。實(shí)際上，混凝土斜拉橋的確也有它自己的一些優(yōu)點(diǎn)，因而在中國與南美、法國、西班牙、意大利、瑞士、美國以及近期的挪威已經(jīng)出現(xiàn)許多受人注意的優(yōu)美的混凝土斜拉橋，包括就地澆注的和預(yù)制拼裝的。杰出的例子如我國的石門橋和武漢長江公路大橋，意大利的波爾塞弗拉(Polsev—era)高架橋，阿根廷的凱哥柯林茨(ChacoCorrientes)橋，法國的勃魯東(Broto,me)橋，美國的PK(Pasco—Kennewick)橋，東亨丁頓(巳Huntington)橋，西班牙的盧納(Barriosde Luna)橋，墨西哥的柯察考爾科斯(Coatzacoalcos)橋，阿根廷的PE(PosadasEncarnaeion)橋，美國的達(dá)姆岬(DamesPoint)橋與陽光高架(SunshineSkyway)橋，以及挪威的斯卡恩圣特(Skarnsundet)橋和赫爾格蘭特(ttelgeland)橋。

在世界范圍內(nèi)，混凝土斜拉橋的發(fā)展雖比鋼斜拉橋晚一步，但在跨度方面并不落后于鋼斜拉橋。當(dāng)鋼斜拉橋的最大跨度于1985年之前，尚停留在404m（法國的圣·納澤爾橋）時，混凝土斜拉橋的最大跨度在1983年時已經(jīng)達(dá)到440 m（西班牙的盧納橋）。到90年代初，挪威的斯卡恩圣特橋以530 m的跨度雄居世界混凝土斜拉橋的首位，而當(dāng)時鋼斜拉橋的最大跨度尚未超過500m大關(guān)，直到1994年末日本才建成主跨510m的鶴見航道橋，仍未超過530m。

從長遠(yuǎn)的發(fā)展觀點(diǎn)來看，混凝土斜拉橋的最大跨度要小于鋼斜拉橋、結(jié)合梁斜拉橋和混合梁斜拉橋。

我國由于國情關(guān)系主要發(fā)展混凝土斜拉橋。到80年代末，我國已建成混凝土斜拉橋約30座，約占世界斜拉橋總數(shù)的1/10或混凝土斜拉僑的1/5。但我國混凝土斜拉橋的最大跨度在80年代中尚未突破300m，最大跨度為260m的天津永和橋。進(jìn)入90年代后，我國混凝土斜拉橋便越過300~400 m級，一舉邁入400~500m級。

混凝土斜拉橋主梁截面形狀與寬高比

鋼斜拉橋的主梁可以作成抗風(fēng)性能較佳的扁平六角形（流線型）鋼箱梁?；炷列崩瓨虻闹髁焊鶕?jù)需要可以澆注成任何形狀的截面。實(shí)際上已有大量實(shí)踐的帶仲臂橋面板的倒梯形(斜腹板)混凝土箱形截面，其抗風(fēng)性能并不比扁干六角形鋼箱形截面遜色。準(zhǔn)三角形截面與三角形截面的混凝土箱梁，其抗風(fēng)性能更勝一籌。

從抗風(fēng)性能的觀點(diǎn)來看，對梁體的寬高比值希望盡量大一些，作成比較扁平的形狀。鋼斜拉橋的梁高H一般為2~3 m，根據(jù)車道的多少寬高比一般在5~10之間。混凝土斜拉橋的梁高也可做得很小，其寬高比通常與鋼斜拉橋大致相同，也在5~10之間。最近出現(xiàn)的板式混凝上梁截面的寬高比已突破10。

綜上所述，無論是截面形狀或?qū)捀弑?，混凝土斜拉橋的抗風(fēng)性能均不比鋼斜拉橋差。

混凝土斜拉橋梁重與固振頻率

鋼斜拉橋單位橋面面積的鋼梁重量約為0.35一0.5 t/m²，混凝土斜拉橋的梁重則約為1.4—1.5t/m²，后者約為前者的3~4倍。

對固振頻率來說，雖然資料數(shù)據(jù)尚不多，但從已有資料來分析，混凝土斜拉橋的撓曲振動周期約為鋼斜拉橋的1/2.5—1/3，頻率則為2.5—3倍。

綜上所述，無論是梁重或固振頻率，混凝土斜拉橋的抗風(fēng)性能都比鋼斜拉橋優(yōu)越。

混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)阻尼

無論是鋼斜拉橋或混凝土斜拉橋，結(jié)構(gòu)阻尼尚無足夠的實(shí)測數(shù)據(jù)可供參考。英國的抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范規(guī)定鋼橋的阻尼系數(shù)為δ=0.03，混凝土橋則為δ=0.05。日本大部分橋的設(shè)計·分析中假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)為0。02，混凝土結(jié)構(gòu)的為0.05。

根據(jù)以上1~3的比較，可以認(rèn)為混凝土斜拉橋的抗風(fēng)性能要比鋼斜拉橋優(yōu)越。 2100433B