混凝土斜拉橋橋塔有限延性設(shè)計理論與方法研究結(jié)題摘要

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。為達到此性能目標，在工程實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，本項目針對斜拉橋的結(jié)構(gòu)受力特點，重點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、性能目標與延性指標以及抗震性能三個主題進行了研究。結(jié)合數(shù)值理論分析，進行了中等跨度斜拉橋橋塔模型擬靜力試驗和全橋模型振動臺試驗，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：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，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，該性能指標的量值目前還不能直接應(yīng)用到除原橋以外的實際工程，但本項目提出的思路和研究方法完全可以針對特定的斜拉橋進行計算分析，得到定量的性能指標。針對H型混凝土橋塔的斜拉橋，本項目結(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，通過后續(xù)的試驗和理論研究不斷的完善已提出的有限延性性能指標，最終建立的有限延性指標將對斜拉橋的抗震設(shè)計提供更為經(jīng)濟的設(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。為達到此性能目標，在工程實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，重點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、性能目標與延性指標以及抗震效能三個主題開展研究。結(jié)合數(shù)值理論分析，進行中等跨度斜拉橋橋塔模型擬靜力試驗和全橋模型振動臺試驗，研究橋塔的非線性損傷過程，確立各構(gòu)件合理的性能目標及其與各層次構(gòu)件之間的損傷量化關(guān)系，進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，重點介紹橋梁簡化的延性抗震設(shè)計理論及改進的抗震設(shè)計方法。書中還對如何保證結(jié)構(gòu)的整體延性，進行了詳細的討論。《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?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。實際上，混凝土斜拉橋的確也有它自己的一些優(yōu)點，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。

從長遠的發(fā)展觀點來看，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性能較佳的扁平六角形（流線型）鋼箱梁。混凝土斜拉橋的主梁根據(jù)需要可以澆注成任何形狀的截面。實際上已有大量實踐的帶仲臂橋面板的倒梯形(斜腹板)混凝土箱形截面，其抗風性能并不比扁干六角形鋼箱形截面遜色。準三角形截面與三角形截面的混凝土箱梁，其抗風性能更勝一籌。

從抗風性能的觀點來看，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?；炷列崩瓨虻牧焊咭部勺龅煤苄。鋵捀弑韧ǔＥc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)阻尼尚無足夠的實測數(shù)據(jù)可供參考。英國的抗風設(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，可以認為混凝土斜拉橋的抗風性能要比鋼斜拉橋優(yōu)越。 2100433B