超大跨度部分地锚式斜拉桥抗震结构体系研究

为探索大跨度部分地锚式斜拉桥的适宜抗震结构体系,以1 400 m主跨的部分地锚式斜拉桥设计方案为工程背景,采用多振型地震反应谱方法进行E1地震作用下结构的地震反应分析,揭示超大跨度部分地锚式斜拉桥地震反应的特性。在此基础上,分析地锚段主梁长度、主梁宽度、主梁高度、桥塔高跨比、地锚索倾角、辅助墩数量和塔梁连接方式等主要结构设计参数对结构地震反应的影响,结合结构静力性能和稳定性探讨其合理取值。结果表明:水平地震作用下桥塔和主梁的地震反应显著,而桥塔的地震内力显著大于主梁,是结构抗震设计的关键构件,同时应特别重视桥塔的塔底和塔梁交接处、主梁的塔梁交接处和边跨辅助墩处等截面的抗震设计;当地锚段主梁长度和主跨之比约为0.3,采用较宽的主梁并增大其高度,桥塔高跨比约为0.2,采用较大的地锚索倾角,边跨设置1～2个辅助墩以及采用全漂浮体系时,大跨度部分地锚式斜拉桥具有良好的整体结构性能。     

超大跨度部分地锚式斜拉桥抗震性能研究

以1 400 m主跨的部分地锚式斜拉桥设计方案为工程背景,分别采用多振型地震反应谱方法和非线性时程分析法进行E1和E2地震作用下结构的地震反应分析,揭示超大跨度部分地锚式斜拉桥地震反应的特性以及结构非线性效应对其地震反应的影响。在此基础上,对相同主跨的全自锚式斜拉桥进行结构动力特性和地震反应的对比分析。结果表明:水平地震作用下桥塔和主梁的地震反应显著,桥塔的地震内力显著大于主梁,是结构抗震设计的关键构件,同时应特别重视桥塔的塔底和塔梁交接处、主梁的塔梁交接处和边跨辅助墩处等截面的抗震设计;结构几何非线性效应对结构地震反应影响显著,特别是在E2地震作用下,超大跨度部分地锚式斜拉桥地震反应分析宜采用非线性时程分析法;与相同主跨的全自锚式斜拉桥相比,边跨部分斜拉索改为地锚后,结构刚度和自振频率增大,桥塔的地震反应和主梁的纵向位移均显著减小,改善了结构的整体抗震性能,超千米主跨斜拉桥更适宜采用部分地锚式结构形式。     

超大跨度斜拉桥空气静力稳定性研究

空气静力稳定性（也称静风稳定性）是主跨超千米的超大跨度斜拉桥设计和研究的重要问题． 采用三维非线性空气静力稳定性分析方法,对１　４００ｍ主跨的超大跨度斜拉桥进行了空气静力稳 定性分析,并与同等主跨悬索桥的空气静力稳定性进行比较．在此基础上,分别就主梁的高度和宽 度、桥塔结构型式、桥塔高跨比、边主跨比、辅助墩设置、拉索锚固方式等结构设计参数对超大跨度 斜拉桥空气静力稳定性的影响进行了分析,并指出了关键的设计参数及其合理取值．结果表明：与 同等主跨的悬索桥相比,斜拉桥的结构刚度更大,空气静力稳定性更好,适宜采用于超千米跨度的 大跨度桥梁．超大跨度斜拉桥在增大主梁的高度和宽度、采用倒Ｙ形桥塔并增大塔高、减小边跨长 度、边跨设置辅助墩以及部分斜拉索地锚等情况下,都可以获得比较好的空气静力稳定性．     

高墩大跨矮塔斜拉桥结构体系及静力性能研究

为研究高墩大跨矮塔斜拉桥的结构静力性能及其合理结构体系,以一座主跨265 m的高墩大跨矮塔斜拉桥洪溪大桥为工程背景,参照国内外矮塔斜拉桥的设计参数,通过改变主梁高度、边主跨比、塔根无索区长度、跨中和边跨端部无索区长度、桥塔高度、桥塔刚度、桥塔结构形式、斜拉索布置形式和桥墩刚度等结构设计参数,分析各个设计参数对高墩大跨矮塔斜拉桥的主梁内力和位移、塔的内力和位移以及斜拉索索力等结构静力性能的影响,并探讨各自的合理取值范围,为高墩大跨矮塔斜拉桥设计提供参考。     

斜拉-悬吊协作体系桥抗震性能参数分析

以一座1 400m主跨的斜拉-悬吊协作体系方案桥为工程背景,采用多振型地震反应谱方法,对其进行水平地震作用下的结构地震反应分析,揭示主缆矢跨比、吊跨比、边跨长度、辅助墩设置、主梁支承方式和主梁结构形式等结构设计参数对地震反应的影响,并提出各结构设计参数的合理取值.结果表明:当主缆矢跨比取为1/10、吊跨比为0.4~0.5、采用短边跨并设置辅助墩、半漂浮体系、桥面主梁采用混合梁时,斜拉-悬吊组合体系桥可以获得比较好的抗震性能.     

地震下大跨双塔混合梁斜拉桥横向合理抗震体系研究

以某一座跨江大跨双塔混合梁斜拉桥为例,对大跨混合梁斜拉桥合理的横向抗震体系进行了研究,利用Midas/civil有限元程序,建立了该桥空间有限元计算模型;基于该桥规范反应谱生成七条加速度地震波,采用非线性时程分析法进行了大跨混合梁斜拉桥横向地震响应分析,对过渡墩、辅助墩与主梁的横向合理约束方式进行了详细探讨,并对横向弹塑性挡块合理参数设置进行了分析。结果表明:过渡墩、辅助墩与主梁的横向连接方式对大跨混合梁斜拉桥的横向地震响应有显著影响,其中当过渡墩、辅助墩与主梁之间横向设置可滑移,同时配置横向弹塑性限位挡块,可使得大跨混合梁斜拉桥主塔、过渡墩、辅助墩地震响应处于较低水平,同时也可有效地控制主梁的横向位移,是一种非常合理的横向抗震体系。该文的研究成果可为同类桥梁的抗震设计提供理论参考。     

无索区长度对矮塔斜拉桥活载效应的影响

矮塔斜拉桥在梁段内存在无索区,怎样设置这些无索区合理地布置斜拉索,使斜拉索结构与连续体系梁结构协调地工作,是设计人员关心的问题。基于此,将典型的3跨矮塔斜拉桥梁段内无索区的分布以主塔附近无索区长度、中跨跨中无索区长度以及边跨端部无索区长度3个参数表示,并以此3个参数为研究对象进行结构行为的影响分析。以某大跨度矮塔斜拉桥方案的结构数据为基础,建立(ANSYS)结构有限元模型。在此模型的基础上,设置3个参数可能的合理变化范围,构造其他工况的结构有限元模型。利用参数化设计语言(APDL)编制计算程序,分析参数变化对车辆荷载作用下主梁内力和变形的影响,从而得出主梁在活载作用下合理的无索区长度及分布的范围,为矮塔斜拉索立面布置的优化设计提供参考。     

基于乘子-Newton优化算法确定钢箱梁斜拉桥的合理成桥状态

针对钢箱梁斜拉桥成桥状态的优化问题,以钢箱梁斜拉桥主梁和桥塔的弯曲能量之和为目标函数,以主梁和桥塔位移、应力、斜拉索索力及其均匀性等为约束条件,建立钢箱梁斜拉桥成桥状态优化的二次规划数学模型,并采用乘子-Newton优化算法进行求解;结合该方法和有限元方法对国内某座大跨径独塔钢箱梁斜拉桥的成桥状态进行了优化,并与无约束最小弯曲能量法及刚性支承连续梁法的优化结果进行了对比。研究结果表明:该方法优化所得结构位移、内力、应力及索力与其余两种方法优化结果的最大相对误差分别为21mm、127.29%(16 194kN·m)、154.21%(4.58MPa)以及22.51%(346kN);该方法所得成桥状态下,主梁线形平顺,内力及上下缘应力分布均匀,桥塔塔顶向边跨有一定的预偏,且为全截面受压状态,斜拉索索力随斜拉索长度的增长均匀递增,过渡墩与辅助墩的支承反力均为正值,具备一定的压力储备;该方法简便、有效、实用性强,可避免采用传统方法时,人为调索的随意性,可方便地获得钢箱梁斜拉桥的合理成桥状态。     

连续多跨矮塔斜拉桥力学性能分析

以开封黄河二桥主桥为研究对象,采用有限元程序Midas/civil对该桥进行了力学性能分析.计算结果表明:由于该桥塔高与跨径之比较大,斜拉索承担较多的竖向荷载,能有效降低主梁支点截面的高度和内力;主梁的内力与变形表现为多跨连续梁的受力特点,主梁基本全截面受压,轴力分布较为均匀,在桥塔根部支点处出现较大正弯矩,跨中出现负弯矩;主梁刚度较大,整体变形以向上为主,变形量较小;主塔只起到拉索转向块的作用,纵向受力较小,故各塔顶纵桥向位移较小,在中等跨径范围内,可采用多跨矮塔斜拉桥方案解决普通多跨斜拉桥的刚度问题;每根塔柱两侧拉索的拉力由内向外依次小幅增大,总体分布均匀,边跨索索力最大,活载作用引起的拉索应力增幅较小;桥梁结构在非对称活载作用下的受力更为不利;各构件控制截面应力及变形均在桥梁设计规范规定范围内,且具有足够的安全储备,桥梁结构受力合理.     

南四湖斜拉桥压重的优化研究

合理的压重设置既是改善斜拉桥塔梁力学性能的重要手段,也是消除成桥及运营时梁端支座负反力最直接有效的方法。文章以南四湖斜拉桥为例,在保持斜拉索无应力索长不变的情况下,采用有限元软件优化研究了其边跨压重,探究了边跨压重对其构件力学性能的影响。结果表明：合理的压重设置,能够有效地改善斜拉桥桥塔的力学性能;对南四湖斜拉桥梁端压重的优化,改善了索塔的受力和变形,使优化后的索塔内力及位移明显减小,但对主梁内力的影响不大,成桥及运营状态均不会出现负反力。通车后的南四湖斜拉桥运营状况良好,进一步验证了边跨压重的优化成果。     

三塔悬索桥的结构体系及抗震性能研究

与通常采用的双塔悬索桥相比,三塔悬索桥因中间桥塔缺乏有效的纵向约束而导致结构整体刚度的下降,在地震作用下结构的动力反应问题可能会更加突出.以已建成的1 080m主跨的三塔双跨悬索桥-泰州长江公路大桥为工程背景,利用MIDAS/CIVIL有限元软件对其抗震性能进行分析,揭示了三塔悬索桥抗震性能的特点,在此基础上进行了主缆矢跨比、中塔刚度以及主梁约束方式等主要结构设计参数对大跨度三塔悬索桥地震反应的影响分析,并从抗震性能角度提出大跨度三塔悬索桥适宜的结构体系.研究结果表明:大跨度三塔悬索桥横桥向地震反应非常显著,尤其是边塔,因此应重视结构的横桥向和边塔的抗震性能.采用较大的矢跨比、柔性的中塔、中塔与主梁之间设置弹性索都可以有效地提高大跨度三塔悬索桥的抗震性能.     

高低塔斜拉桥辅助墩的优化分析

高低塔斜拉桥由于双塔不对称,设置辅助墩时需要综合考虑结构的受力状况.为研究辅助墩设置与大跨度高低塔斜拉桥受力之间的关系,以高低塔斜拉桥为研究对象建立有限元模型,分析辅助墩设置数量及位置对结构产生的影响,基于回归分析拟合单个辅助墩位置变化对结构响应影响的规律,进行单个辅助墩位置优化分析.研究结果表明,辅助墩的设置有利于改善高低塔斜拉桥的整体受力,可明显降低在移动荷载作用下高塔边跨主梁及高塔的弯矩和位移,但辅助墩的数量增加后,改善效果相比单个辅助墩大幅减弱,设置单个辅助墩是最佳选择.单个辅助墩位置的改变对高塔边跨主梁及高塔的弯矩和位移影响较为明显,且存在最佳位置,但当辅助墩位置位于一定范围内时,位置改变带来的结构综合响应变化并不明显,受限于外部条件时辅助墩位置亦可根据分析结果灵活选择.     

自锚式斜拉-悬吊协作体系桥梁动力性能

讨论了自锚式斜拉-悬吊协作体系在主梁、辅助墩及主塔基础等不同约束方式下结构动力特性。通过分析得出该体系桥梁自振周期长,振型密集且振型间相互耦合;缆、塔、梁共同参与振动,提高了结构的扭转频率,结构的抗风稳定性较好;加劲梁受到主缆水平分力和斜拉索水平分力的共同作用,降低了结构的弯曲刚度,需加大截面尺寸;桥梁各阶振型频率随主梁弹性约束刚度的增加而增加,一阶纵飘频率受弹性约束刚度影响比较显著,其他振型频率影响较小;通过设置边跨辅助墩,可以提高协作体系的结构刚度,增加各阶振型的频率;主塔对结构动力特性的影响取决于基础对塔底的约束强度,当群桩基础足够强大时,其自振频率仅略小于沉井、沉箱基础。     

减隔震混合装置对大跨度斜拉桥地震响应的影响

为研究减隔震混合装置对大跨度斜拉桥的减震限位效果,以一座(67+110+360+110+67)m的大跨斜拉桥为研究对象,采用ANSYS有限元软件建立了全桥动力分析模型,基于非线性时程分析法研究了采用摩擦摆支座和液体粘滞阻尼器的减隔震混合装置对大跨度斜拉桥抗震性能的影响,并通过参数分析确定了较为合理的减隔震装置参数。研究结果表明:主桥纵桥向布置减隔震混合装置可以有效解决大跨斜拉桥的抗震问题;相比单独采用液体粘滞阻尼器,减隔震混合装置改善了桥塔和过渡墩的受力,进一步减小了主梁及塔顶的位移;综合考虑结构的地震响应和工程造价,该桥减隔震混合装置中阻尼指数α取0.4,阻尼系数C取12000 kN/(m·s~(-1))~(0.4)时可以取得较好的减震效果;减隔震混合装置中摩擦摆支座和液体粘滞阻尼器可以协同作用,减震耗能明显。     

大跨度悬索桥桥塔地震纵向损伤特征研究

为对大跨度悬索桥桥塔基于性能的抗震设计提供依据,对大跨度悬索桥桥塔在地震作用下的纵向损伤特征进行初步探究。以某大跨度悬索桥为工程背景,采用大型通用有限元软件ADINA建立地震分析模型,将20条实测地震波沿纵桥向输入,采用IDA方法,对塔中和塔底两个潜在塑性铰区的塑性损伤发展全过程进行逐级观察。结果表明:随着地震等级的增加,塔底和塔中截面的塑性损伤有协同发展趋势,但塔底截面的塑性损伤发展速度远大于塔中,因此最终的桥塔破坏形式为塔底截面破坏而导致的桥塔动力失稳。     

斜拉桥体系可靠度分析

针对大跨度斜拉桥体系可靠度分析中由于失效模式众多带来的困难,结合某独塔斜拉桥的工程实例,应用β约界法搜索对结构失效概率起关键作用的主要失效模式,研究了斜拉桥2级体系可靠度.在搜索主要失效模式的各失效历程中,采用梯度分析随机有限元法计算斜拉桥主塔、主梁和斜拉索各个单元的可靠度指标,应用β约界法确定失效候选单元,将斜拉桥结构体系的失效等效为一个由若干并联子系统构成的串联系统.计算结果表明,斜拉索的失效对整个斜拉桥结构体系的失效起控制作用.     

宛溪河矮塔斜拉桥索塔鞍座区应力分析

宛溪河大桥为塔梁固结的预应力混凝土连续一斜拉桥,下部结构为实体墩、U型桥台,桩基础。主塔为实心矩形截面,塔身上部设有鞍座,混凝土塔内预埋有分丝管,斜拉索穿过分丝管,施工完毕后在钢管灌注高强混凝土,以增加承受两侧斜拉素拉力差能力。图1为总体布置和桥塔构造图。为了解主塔鞍座处的受力特点及应力分布,确保主塔鞍座区结构安全性及可靠性,在实桥主塔鞍座区选取一节段进行有限元模型分析。     

双塔斜拉-连续梁组合体系的力学行为分析

对比双塔斜拉-连续梁组合体系、双塔斜拉-简支梁组合体系以及常规双塔斜拉桥体系在恒载和活载作用下的响应以及自振特性,分析双塔斜拉-连续梁组合体系的优缺点.结果显示,斜拉-连续梁组合体系整体刚度大,结构变形小,边锚索不易疲劳破坏,但辅助墩顶主梁断面在恒、活载作用下负弯矩大,需进行特殊设计;斜拉-连续梁组合体系较斜拉-简支梁组合体系自振频率高,具有整体刚度强、结构受力有利的优点,但易受地震等动力作用的影响.     

高塔斜拉桥纵桥向高阶振型影响分析

地震区斜拉桥多采用漂浮体系的结构体系。在传统的抗震分析中,纵桥向往往简化为单自由度体系以降低计算的复杂性。然而,由于近年来大跨度、高塔斜拉桥的不断涌现,二阶振型的贡献增加,仅考虑一阶振型的单自由度模型是否依然适用值得商榷。因此现选取多座跨径在300 m～1 000 m左右的典型斜拉桥进行分析,研究斜拉桥纵桥向二阶振型随着跨径、塔高以及场地土类型的变化对桥塔塔底弯矩、剪力的贡献。结果表明当斜拉桥桥塔高度超过100 m后,二阶振型对于塔底剪力的贡献基本保持在10%以上,而当塔高超过150 m时,二阶振型对塔底弯矩的贡献也会达到5%以上。为进一步探讨高塔二阶振型的影响,以一座典型斜拉桥为实例,分析其纵桥向二阶振型随主梁质量以及刚度的变化对塔底弯矩、剪力的贡献,研究表明塔梁质量比与塔梁刚度比均是影响二阶振型贡献的重要因素。相比较而言,主梁质量变化对结构的影响更为显著,但在达到一定数值后逐渐减小。     

弹性索参数对三塔悬索桥抗震性能影响研究

以一座三塔悬索桥为分析对象,采用有限元仿真分析法,研究了中塔、主梁间设置弹性索对该桥抗震性能的影响。针对不同弹性索参数,比较了结构主要构件和部位的内力及位移的地震响应结果。分析结果表明,选用合适的弹性索刚度时,可以显著减小主梁位移、主塔位移和中塔与主梁间的相对位移,减小边塔底内力,而中塔底内力增加很小。弹性索不是耗能装置,只能改变惯性力的传递途径,使结构体系惯性力分配更加合理。