苏通长江公路大桥结构抗震性能研究

苏通长江公路大桥结构抗震性能研究苏通长江公路大桥结构抗震性能研究分为四部分：1)

苏通大桥抗震设防标准研究2)

主航道桥抗震性能研究(主跨1088m的双塔斜拉桥)3)

专用航道桥抗震性能研究(主跨268m的预应力混凝土连续刚构方案和钢连续梁方案)4)

引桥抗震性能研究(跨度30m、50m和75m的多跨连续梁，全长5570m)

1.概述

桥梁抗震设防的合理安全度原则：

桥梁抗震设防需要在经济与安全之间进行合理平衡.2.苏通大桥抗震设防标准的研究

根据目前抗震设计方法的发展水平，建议采用两水平的抗震设计方法对苏通大桥进行抗震研究。抗震分析表明：国内大跨度斜拉桥在P2概率水平的地震作用下，桥塔一般都没有进入非线性工作状态。*苏通大桥工程的重要地位*人们对特大工程抗震安全性越来越高的要求

主航道桥的抗震性能研究分三部分：抗震概念设计推荐方案的地震反应分析及抗震验算塔、梁连接装置研究及参数分析3.主航道桥抗震性能研究主航道桥推荐方案：主跨1088m的双塔七跨钢斜拉桥，倒Y型塔，桥宽40.6m，梁高4.0m

斜拉桥的抗震薄弱部位：

桥塔、边墩及其基础，以及支撑连接装置

基本方案： 主跨1088m的双塔七跨全钢斜拉桥（倒Y型桥塔，梁宽40.6m，高4.0m，边跨压重全桥共7163.2t）3.1抗震概念设计3.1.1

动力计算模式的建立（基本模型）

边界条件：塔、墩底固结，主塔与梁仅横向主从，边墩与梁仅横向、竖向主从。

3.1.2基本方案的动力特性抗震概念设计阶段，地震反应分析采用反应谱法（300阶，CQC法）地震输入方式：1)纵向＋竖向；2）横向＋竖向。100年2%超越概率、阻尼比5%的标定后的反应谱；地表加速度峰值为：水平向0.197g，竖向0.135g。

3.1.3地震动输入1.253.1.4三种桥塔方案斜拉桥的抗震性能分析

三种桥塔方案斜拉桥的计算模型的不同之处：主塔形式(倒Y型、钻石型、A型)主塔截面尺寸稍有不同动力特性：除了塔自身的横向振动外差别很小（横向振动：与倒Y型塔相比，钻石型塔和A型塔要低30%左右）地震反应：主塔的纵向地震反应差别较小，但横向地震反应差别较大；各边墩的纵、横向内力反应差别不大。总体来说，倒Y型塔和A型塔的抗震性能较好，钻石型塔较差3.1.5桥塔下横梁截面高度变化对地震反应的影响分析

下横梁高度增大，塔柱的纵向内力反应增大很小，不超过1%适当增加下横梁的截面高度，对改善主塔的抗震性能是有利的

主跨的动力特性：

边跨压重方案和预应力束方案差别较小。地震反应：

主塔反应：两种方案的差别很小；

边墩反应：对弯矩，两种方案的幼劣不明显；

对轴力，预应力束方案较有利3.1.6边跨主梁压重或设置预应力束对桥梁抗震性能的影响

预应力束只要构造设计合理，是一种较好的构造措施，建议在过渡墩处也设置预应力束。辅助墩和过渡墩设计合理，产生的动轴力较小，因此在恒载和地震作用下不会出现拉力，可以对墩柱进行延性设计。3.1.7钢－混凝土混合式斜拉桥和全钢斜拉桥方案抗震性能比较

混合式斜拉桥方案：桥跨布置：110.+300.+1088.+300.+110.m，桥面宽度39.8m。

地震反应

主塔：两种斜拉桥方案差别较小 边墩：混合式斜拉桥方案比全钢方案大很多3.1.8结论和建议

1)

三种塔型方案对纵向地震反应影响很小，但对横向反应影响很大。其中，倒Y型和A型塔方案对抗震较为有利。2)

可以适当增加桥塔下横梁截面高度（如1m），截面高度变化对地震反应的影响很小。3)

边跨采用预应力束方案对斜拉桥边墩的抗震较为有利，建议过渡墩处也设置预应力束以防止梁端翘起。4)

辅助墩和过渡墩设计合理，在恒载和地震作用下不会出现拉力，可以对墩柱进行延性设计。5）混合式斜拉桥方案与全钢方案相比，主塔的地震反应差别不大，但辅助墩和过渡墩的地震反应要大很多。

初设推荐方案与基本方案的差别：边跨压重采用恒载压重（全桥共3868.8t）、活载张拉预应力的方案。推荐方案的动力计算模型与基本模型的差别：边跨压重不同，且考虑了远塔辅助墩及过渡墩桩基础的柔性；近似考虑了相邻联引桥对过渡墩的影响；时程分析时，考虑边墩上各滑动支座的滞回耗能作用。

3.2初设推荐方案的抗震性能研究初设推荐方案与基本方案的动力特性：差别很小3.2.4地震输入

江苏省地震工程研究院提供（考虑20年一遇的河床冲刷影响）：3个概率水准（100年2%、50年2%及100年10%）： 地震反应谱（水平向及竖向，阻尼比5％）； 地震加速度时程（每个概率水平3组，水平向及竖向）对三个概率水平的地震作用均进行了反应谱分析，以作比较，并和时程分析结果相互校合。反应谱法分析取前300阶振型，按CQC法进行组合。地震输入采用两种方式：1)纵向＋竖向；2）横向＋竖向。3.2.5地震反应谱分析

地震行进波速根据江苏省地震工程研究院的建议，取3000米/秒3.2.6行波效应分析

总体来看，对于推荐方案，行波效应的影响较小，可以忽略3.2.7时程反应分析及验算

时程分析：对3个概率水平，每个概率水平3组地震加速度时程均进行了计算，最后取最大反应值进行验算。地震输入方式：1)纵向＋竖向；2）横向＋竖向。

验算内容： 桥面纵向位移分析、 边墩上支座的验算、 主塔、边墩的验算、 提交基础的验算地震力斜拉桥边墩上的滑动支座具有非常显著的减震作用。但是，对于主跨1088m的特大跨度斜拉桥，为了确保桥梁的抗震安全性，还应在塔、梁间设置合适的连接装置。注：括号内的数值未考虑边墩上滑动支座的减震作用。注：支座允许的滑移量为±90cm

各墩顶剪力均大大超过支座的横向抗力，支座会被横向剪断，因此应提高支座的横向抗力或在墩顶设置另外的限位措施。

参考《铁路工程抗震设计规范》，当墩高超过60m时，墩柱的强度折减系数可取0.5，辅助墩和过渡墩的高度接近60m，偏保守地取0.5辅助墩和过渡墩的强度满足要求，只要合理配置箍筋，即可保证墩柱的抗震安全性。3.2.8结论和建议

1）推荐方案的地震内力比静载内力大很多，将会控制设计。2)

桥塔的抗震验算表明，主塔通过配筋能保证其抗震安全性。4)

辅助墩和过渡墩墩柱只要合理配置竖筋和箍筋，可保证抗震安全性。5)

边墩上的滑动支座在100年2%概率水平的地震作用下可正常滑动。6)

在横向+竖向地震作用下，支座会被剪断，应提高支座横向抗力，或在墩顶设置另外的限位措施。7)

边墩上滑动支座有较好的耗能作用。为了确保桥梁的抗震安全性，还应在塔、梁间设置合适的连接装置。3.3塔、梁连接装置研究及参数分析

设置塔、梁连接装置的主要目的:

减小地震作用下的梁端纵向位移 (不影响桥梁在其它荷载下的运行)2)阻尼器（耗能）较为成熟且适用于大跨度桥梁主要是油阻尼器（粘滞阻尼器）。阻尼力与相对速度的关系

0.3~1.01)弹性连接装置

（提供弹性刚度）大型橡胶支座（多多罗桥）、钢绞线拉索（汕头海湾二桥）等：对所有的荷载均提供弹性刚度

主要用于限位的液压缓冲装置（大海带桥）对缓慢作用的荷载不起作用，对急速作用的荷载起固定约束作用3.3.1国内外大跨度桥梁塔（墩）、梁连接装置简述

图3.23美国Taylor公司开发的阻尼器国外：

希腊的雷翁--安蒂雷翁大桥 美国的金门大桥抗震加固 美国Oakland海湾大桥西跨悬索桥抗震加固（Taylor公司的阻尼器在世界各国应用较广，使用历史40多年）国内：

重庆鹅公岩大桥

上海卢浦大桥（上海材料研究所开发）3.3.2塔、梁连接装置的参数敏感性分析1)弹性连接装置的参数（弹性刚度）分析

1.0

105kN/m是比较合适的一个刚度值。2)阻尼器参数（阻尼系数C，速度的指数

）分析阻尼力对阻尼参数最为敏感

可见，随着阻尼器参数的变化，位移和力的变化趋势总是相反的。较好的做法是折中取值，如阻尼器的速度指数

取为0.5，阻尼系数取为7500~12500较为合适。

3.3.3两类阻尼器的减震效果比较3.3.4结论和建议

1)

两类塔、梁连接装置：弹性连接装置和阻尼器均能有效地减小梁端的地震位移，但阻尼器的效果更为理想。2)

塔、梁间如选用弹性连接装置，从抗震的角度看，可以认为，1.0105kN/m是比较合适的一个刚度值。3)

塔、梁间如选用阻尼器，从抗震的角度看，阻尼器的速度指数取为0.5，阻尼系数取为7500~12500较为合适。4)弹性连接刚度或阻尼器参数的最后取值还应结合其它荷载的需求，阻尼器的造价，安装的位置等实际情况而定。

4.专用通航孔桥梁抗震性能研究专用通航孔桥有两个设计方案：一是双幅式钢连续梁桥，另一个是双幅式预应力混凝土连续刚构桥。桥跨布置：140+268+140m，桥面宽度16.5m（单幅宽度），梁变高。两幅之间的净距1.0m。4.1钢连续梁方案的抗震性能研究动力计算模型：考虑了桩基础以及相邻联的影响；左主墩(较高)或右主墩（较矮）设双向固定支座，其余墩设单向滑动支座动力特性（固定墩设在左主墩）： 基频：0.430Hz，两幅主梁对称竖弯 第4阶频率：0.541Hz，

两左主墩一致纵向弯曲

江苏省地震工程研究院供： 地表加速度峰值为：50年10％（水平向0.118g，竖向0.078g）；

50年2％（水平向0.169g，竖向0.116g）

每个概率水平三组（水平、竖向）地震加速度地表时程， 对三组都进行了计算，结果取最大值。

4.1.3地震动输入1.150年2％反应谱曲线4.1.4地震反应谱分析在两种地震概率水平下，均进行反应谱分析，和时程相互校核反应谱法取前100阶，按CQC法进行组合地震输入采用两种方式：1)纵向＋竖向；2）横向＋竖向。2)50年2%概率水平4.1.5时程分析及抗震验算（固定支座设置在左主墩）

1)50年10%概率水平只有右过渡墩会横向屈服，但屈服得不多。

桥墩强度满足要求，只要合理配置箍筋，即可保证墩柱的抗震安全性参考《铁路工程抗震设计规范》，钢连续梁方案的两主墩（高度为38.34m、34.32m）的折减系数可取0.37和0.35。

3)支座和桩基础的抗震检算

4.1.6两种支座设置方式的抗震性能比较

两种固定支座设置方式（设置在左主墩或右主墩）对桥梁地震反应的影响主要在纵桥向，对横向反应的影响较小。在纵向+竖向输入时，当固定墩设置在左主墩时，控制设计的固定墩墩底弯矩和墩顶剪力分别比设在右主墩时减小9.2%和18%。因此，固定墩设置在左主墩是比较有利的。总体来说，采用任一种支座设置方式，桥梁结构除支座的横向抗力不足外，其它构件的抗震性能都是满足要求的。4.2预应力混凝土连续刚构方案的抗震性能研究1#2.1#2.2#3.1#3.2#4#

动力计算模型： 考虑了桩基础和相邻联的影响 主墩与梁6个自由度主从，过渡墩设单向滑动支座地震输入： 同连续梁方案

地震反应谱分析：

取前100阶，按CQC法进行组合动力特性： 基频：0.3818Hz，主墩同向侧弯 第4阶频率：0.3896Hz，主墩同向纵弯

2)50年2%概率水平4.2.4时程分析和抗震验算

1)50年10%概率水平个别墩柱稍微屈服参考《铁路工程抗震设计规范》，强度折减系数0.36和0.343)支座和桩基础的抗震检算

4.3结论和建议

1)

钢连续梁方案和预应力混凝土刚构桥方案中两幅桥横向几乎同步振动，相对位移很小，两幅桥之间不会发生碰撞。2)

钢连续梁方案和预应力混凝土刚构桥方案的支座固定方向应提供足够的水平抗力，否则应在各墩顶采取必要的限位措施。3)

钢连续梁方案和预应力混凝土连续刚构方案的主墩和过渡墩，通过合理配置纵筋和箍筋，可以保证墩柱的抗震安全性。5.苏通大桥引桥抗震性能的研究苏通大桥引桥为双幅式多跨预应力混凝土连续梁桥，单幅桥面宽为16.5m，两幅之间的净距1.0m，全长5570m。跨径组合为：14x30m（一）+11x50m（二）+11x50m（三）+11x50m（四）+（50m+9x75m）（五）+10x75m（六），5x75m（七），11x50m（八）+11x50m（九）+11x50m（十）。研究思路：首先进行全桥建模（分四部分），采用反应谱法进行抗震性能初步分析，然后从十联引桥中选取最有代表性的几联进行细致的时程反应分析和抗震验算。5.1全桥模型的抗震性能初步分析

5.1.1动力计算模式的建立

1142536475757606162636465666758596~819~2029~3239~4450~54747677787975829310411584~9198~99109~1105.1.2动力特性引桥的纵向振动周期总体较长，最长的达5s。5.1.3地震输入

江苏省地震工程研究院提供：

2个概率水准（50年10%、50年2%）： 地震反应谱（水平向及竖向，阻尼比5％）； 地震加速度时程（每个概率水平3组，水平向及竖向）5.1.4地震反应分析

大量梁桥的震害表明，比较高柔的桥墩多为弯曲型破坏。苏通桥的引桥中，50m跨和75m跨各联桥的墩较高，因此对地震反应进行比较时，主要比较墩底弯矩。纵向+竖向输入下，各联桥的固定墩设置差别较大，没有可比性。但对固定支座的设置方式进行了比较研究。在横向+竖向输入下：50米跨的连续梁的第四联和第八联墩底弯矩较大，75米跨连续梁第六联墩底弯矩较大；50米跨的连续梁桥的第八联跨中位移较大，75米跨连续梁第六联跨中位移较大。因此，十联引桥中，比较有代表性地是第一联（14

30m）,第四联（11

50m）,第六联（10

75m）和第八联（11

50m）。

5.2第一联引桥（14

30m）的时程分析和抗震验算5.3第四联引桥（11

50m）的时程分析和抗震验算5.4第六联引桥（11

75m）的时程分析和抗震验算5.5第八联引桥（11

50m）的时程分析和抗震验算动力计算模型：8283848586878889909192931)50年10%概率水平根据设计组提供的墩柱纵筋含筋率（4%）进行抗震验算，结果表明，在50年10％概率水平地震作用下，墩柱均在弹性工作状态。2)50年2%概率水平3)支座和桩基础的抗震检算

5.6固定支座的设置方式对连续梁桥地震反应的影响828384858687888990919293通过改变该联的固定支座数目，进行纵向地震反应时程分析，来研究固定支座的设置方式对于桥梁地震反应的影响。支座的数目：10（83～92＃）、8（84～91＃）、6（85～90＃）、 4（86～89＃）、2（87～88＃）和1（87＃）连续梁桥中，适当增加固定支座对抗震有好处，但过多则效果相反 在连续梁桥的抗震设计中，应首先分析设单个固定墩的情况，然后再视地震反应的情况决定是否增加固定墩数目。

5.7结论和建议

1)

引桥的两幅桥之间不会发生横向碰撞。2)

引桥各支座固定方向应提供足够的水平抗力，或在各墩顶采取必要的限位措施。限位构造措施有待于施工图阶段进一步研究。3)

引桥各桥墩设计得过于强大，在50年2％超越概率的地震作用下，只有少数桥墩刚进入屈服，绝大部分桥墩处于弹性工作状态。4)在连续梁桥中，适当增加固定支座对抗震有好处，过多则效果相反谢谢！苏通长江公路大桥抗震设防标准研究专题委托单位：江苏省交通厅专题承担单位：同济大学土木工程防灾国家重点实验室WorkingPaperonRiskLevels(HongKong)Sept.2001ServiceabilityLimitStateUltimateLimitStateStructuralIntegrityLimitStateDamageLevelInsignificantRepairablesignificantSecondaryElementsInsignificantRepairableDestroyedNon-Key-ElementsInsignificantRepairablesignificantKey-ElementsnoneInsignificantIntegritymaintainedTable13ISO2394:1998PerformanceLevelsWorkingPaperonRiskLevels(HongKong)Sept.2001Table14PerformancecriteriaandseismichazardlevelfordesignandevaluationofbridgesinNewYorkStateImportanceCategorySeismicHazardLevelReturnPeriodEventPerformanceCriteriaCriticalBridgesUpperLevelSafety25002%in50yearsNocollapse,repairabledamage,limitedaccessforemergencytrafficwithin48hours,fullservicewithinmonth(s)LowerLevelFunctional50010%in50yearsNocollapse,nodamagetoprimarystructuralelements,minimaldamagetoothercomponents,fullaccesstonormaltrafficavailableimmediately(allowfewhoursforinspection)EssentialBridgesOneLevelSafety2/3(2%in50years)Nocollapse,repairabledamage,oneortwolanesavailablewithin72hours,fullservicewithinmonth(s)OtherBridgesOneLevelSafety2/3(10%in50years)Nocollapse,significantdamageinvisibleandcontrolledareas,TrafficinterruptionacceptableRecommendedChangestotheAASHTOSpecificationsfortheSeismicDesignofHighwayBridges(NCHRPProject12-49)Table1.PerformanceObjectivesPerformanceObjectiveProbabilityofExceedanceforDesignEarthquakeGroundMotionsLifeSafetyOperationalRareEarthquake3%in75years(returnperiod:2500)ServiceSignificantDisruptionImmediateDamageSignificantMinimalExpectedEarthquake50%in75years(returnperiod:108)ServiceImmediateImmediateDamageMinimalMinimaltoNoneRetrofitPerformanceCriteriaBridgemustbeopenedtothepublicwithin24hoursaftera1906typeearthquakeBridgeshouldberepairabletofullyoperationalstatuswithinonemonthBridgeseismicresponseshouldbeessentiallyelasticTheSeismicRetrofitoftheGoldenGateBridgeafter1989LomaPrietaEarthquakeGroundMotions

SanAndreasfaultis10kmwestofthebridgeHaywardFaultis16kmeastofthebridgeDesignearthquakesarecomparabletothe1906

M8.3SanFranciscoearthquakeResponseSpectrum2.2g@0.3sec.-1.1g@1.0sec.CompatibleGroundMotions0.65g@12.4sec.57.5cm@8.9sec.U.S.SanFrancisco-OaklandBayBridge

TheeastspanoftheSanFrancisco-OaklandBayBridgearevulnerabletocollapseduringearthquakesthatarepossibleandpredictedintheBayArea