摘 要

本文以山东烟台东关大桥背景工程为研究对象，针对异形拱塔结构的斜拉桥进行地震响应分析，研究异形拱塔斜拉桥的地震响应情况，提出相应的解决措施。

本文研究方法是借助Midas有限元分析软件建立异形拱塔斜拉桥动力模型。基于该斜拉桥的自振特性，输入地震波，进行反应谱分析和一致激励线性动态时程分析，并对结果进行分析与比较；考虑几何非线性的情况下，进行一致激励动态时程响应分析；在多点激励下，考虑行波效应对结构进行时程响应分析。

本文通过对反应谱分析和时程分析各种不同工况和建模条件下的相互对比，该桥的主要受力部位在桥墩、塔底部位，研究结果为该桥的建设提供指导性的意见，在受力不利的结构上采取措施进行减震隔震处理。对该桥独特造型异形拱塔结构的斜拉桥抗震性能研究，还能在异性拱塔研究上为他人提供少量的资料。

关键词：异形拱塔斜拉桥；反应谱；时程分析；非线性分析

ABSTRACT

In this paper, the seismic response of the cable - stayed bridge with special - shaped arch - tower structure is analyzed with the background works of Dongguan Bridge in Yantai, Shandong Province. The seismic response of the cable - stayed bridge with special - shaped arch tow is studied and the corresponding measures are put forward.

In this paper,Midas the finite element analysis software is used to establish the dynamic model of the special arch bridge. Based on the self-vibration characteristics of the cable-stayed bridge, the seismic wave is input, the response spectrum analysis and the consistent excitation linear dynamic time history analysis are carried out. The results are analyzed and compared. In the case of geometric nonlinearity, the consistent dynamic time-history response analysis In the multi-point excitation, considering the traveling wave effect on the structure of time-history response analysis.

In this paper, through the response spectrum analysis and time history analysis under different conditions and modeling conditions of the contrast, the main force of the bridge is in the piers and the bottom of the tower, the results of the bridge for the construction of guidance to provide advice , In the force of the structure to take measures to shock shock isolation. The research on the seismic performance of cable - stayed bridge with unique arch bridge of special shape can provide a small amount of information for others in the study of heterosexual arch towers.

Key Words：Special-shaped arch tower cable-stayed bridge; Response spectrum; Rime history analysis; Nonlinear analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 地震灾害概述 1

1.2 斜拉桥抗震研究发展 1

1.3本文研究的目的及意义 2

1.4本文研究的主要内容 3

第2章 桥梁抗震计算的理论 4

2.1桥梁抗震设计方法 4

2.1.1 静力法 4

2.1.2 反应谱理论 4

2.1.3 动态时程分析法 6

第3章 背景工程及模型的建立 8

3.1桥梁背景工程介绍 8

3.1.1 背景工程概况 8

3.1.2 主要技术标准 12

3.1.3 主要建筑材料 13

3.2桥梁模型 13

3.2.1 计算模型 13

3.2.2模型动力特性 15

3.3本章小结 23

第4章 地震响应分析与结果 25

4.1反应谱分析 25

4.1.1设计反应谱 25

4.1.2振型参与质量分析 25

4.1.3反应谱计算结果 29

4.1.4反应谱计算结果分析 31

4.2时程响应分析 35

4.2.1地震波的输入 35

4.2.2时程分析的结果 36

4.2.4时程计算结果分析 46

4.2.5反应谱与时程响应分析结果对比 48

4.3考虑非线性的时程响应分析 51

4.3.1考虑非线性时程计算结果 52

4.3.2考虑非线性与不考虑时结果对比 55

4.4行波效应和多点激励 57

4.4.1行波效应时程分析 57

4.4.2行波效应与一直激励时程分析对比 59

4.5小结 61

第5章 桥梁减震、隔震 62

第6章 总结与展望 63

6.1总结 63

6.2展望 63

绪论

1.1 地震灾害概述

地震本质上来说是地球内部能量进行释放的一种现象。地震对人类甚至是生命体具有巨大的威胁，是一种常见的破坏能力极强的自然灾害。一旦地震发生，工程建筑物会产生不可估量的损坏，对人类生命和财产的安全有着巨大的威胁。

我国边界欧亚板块以及太平洋板块的运动等，导致我国很多地区地震频发，地震活跃。我国地震活动比较频繁的地区如沿海地区、云贵川以及新疆甘肃宁夏等地。地震灾从古至今一直搅扰着我们人类以及各种生物的生活安全.地震的发生难以预测，地震的防治极其困难,虽说如此，我们的先人也是在积极探索着,也自己设计出一些预报地震的仪器,例如地震仪.随着科学技术的发展,我们对地震的预报的准确率已经得到了大大地提高.尽管这样,我们也仅仅只是能够降低地震给我们所带来的伤害和损失,但是绝对不能够阻止地震的发生。

地震对人类危害巨大，都市是人类生存的密集区，是人类生活居住的主要场所，都市的建筑设施防震相对来说，意义就更加的重大了。桥梁在我们的生活着发挥着重要的作用。在地震作用下,桥梁结构的毁坏非常严重，甚至可能会直接导致其发生倒塌等等十分严重的后果。桥梁结构的基础部分被地震毁坏，桥墩变形发生屈区，支座发生较大的相对移动导致主梁滑落，相邻的结构物由于变形而发生不可避免的挤压碰撞，这些都会直接造成桥梁的破坏，导致其无法使用，生命线工程瘫痪。桥梁遭受地震的破坏后，震后救灾的工作也会变得极其的困难，受困人员无法得到快速的支援与救助，会造成进一步的损失。在史实记录中，地震曾经导致大量的桥梁遭受破损，对人类造成巨大的危害以及无法估量的亏损。例如：美国的圣费南多地震、中国的唐山大地震、美国的洛马·普里埃塔地震、美国的北岭地震等 。历史上的每一次地震都能触动人心，经历这些地震的人们也深受其害。

1.2 斜拉桥抗震研究发展

近几十年来，桥梁随着理论、技术、材料等各方面的进步，得到了很大发展，斜拉桥也取得了飞速的发展。现代斜拉桥技术日渐成熟，已经被世界范围的桥梁设计行家普遍的应用。在世界范围的桥梁研究者的不懈奋斗与研究下，人们在抗震设计的理论、以及桥梁抗震施工方法等方面上都取得了丰硕的研究成果。

在桥梁结构当中抗震的设计与研究发展相对较晚。对于斜拉桥来说，斜拉桥中最先对抗震进行考虑的应该是委内瑞拉的马拉开波桥了，同时，在斜拉桥中也是最早将预应力应用于其上的。设计该桥的设计者对地动以及结构物根基部分产生的不均匀沉降可能会造成的损害的问题进行了思考。该桥的所有主跨被设计成了单塔拉索悬臂结构和挂孔相结合的多跨斜拉桥^[[1]]。这种结构体系对于减震方面是有一定效果的。这座斜拉桥是里卡多·莫兰第教授计算设计的。该桥采用的悬臂带挂孔的系统是由他最早创造并使用的，因此这种体系也叫做 “莫兰第(Moradi)体系”。随着斜拉桥建设的起色，在一些地震多发国家斜拉桥也开始崭露锋芒得到了设计者们的应用。针对斜拉桥的自振特性以及地震动特性这两大点，世界范围内的桥梁研究者们展开了全面的研发，斜拉桥的抗震研究设计也开始了全面的发展与进步。

现代斜拉桥的抗震问题备受人们的关注。美国建成的位于地震强度较大的地区的一座典范的斜拉桥（帕斯卡-开呐维克预应力斜拉桥）便将“飘浮体系”应用到桥梁当中。“飘浮体系”即桥塔和桥墩固结起来，主梁分离。飘浮体系这种结构的桥梁在地震动反应下，主梁与墩柱会分开，在顺桥向主梁显现出一种漂浮的状态，在漂浮运动的时候，可以将地震给桥梁附加的作用进行磨耗，这种漂浮的结构状态可以使得结构振动的周期增长，减小了结构的反应，在抗震方面上有着极大的意义。漂浮体系这种桥梁体系对减小地震效应是十分有效的，桥梁在顺桥向上的位移显著。这种体系具有充分的强度，受力比较匀称，可以将主梁截面设计成相同的截面对施工操作进行简化。这种结构体系的抗风、抗震性能也较好。是目前应用较多的斜拉桥结构体系^[[2]]。

斜拉桥的技术的成熟与进步使得异形结构的斜拉桥也开始被各个桥梁设计者们开发应用。特别是索塔部分的异形结构，使得桥梁更加的美观，这使得设计师们使用的异形塔斜拉桥出现的数量越来越多。针对异形斜拉桥，也有很多的研究人员对其开展了创新与研发,异形索面、异形拱塔等等各种异形结构应运而生。但是异形结构导致其受力情况较为复杂，需要我们对异形结构进行专门的研究对比分析。本文研究的斜拉桥即是以拱塔为异形结构的斜拉桥。

1.3本文研究的目的及意义

近些年来，在常规的斜拉桥上很多学者都对震反应分析进行了深入的研究，取得了许多研究成果。由于异形拱塔斜拉桥这种独特的造型以及桥梁的特殊性，使得这种桥的数量以及资料都什么有限，学者们在这方面所做的研究可能就显得相对较少，这种桥抗震研究成果相对缺乏。因此本文对的异形拱塔斜拉桥地震反应及抗震设计的研究，不仅可以提高个人的学习与桥梁抗震设计的能力，甚至可能可以为桥梁设计、施工和管理人员对异形拱塔斜拉桥的抗震设防提供有限量的参考。除上述之外，本文的研究对东关大桥异形拱塔斜拉桥的施工建设也有着一定的意义，该桥的建立可以有效改善夹河两岸交通现状，提升夹河景观效果，适应城市建设的快速发展，对当地经济的发展有着一定的意义。

1.4本文研究的主要内容

本文研究的主要内容：1、本文以山东烟台市东关大桥（该桥是一座双索面异形拱塔斜拉桥）实际工程为研究背景，运用Midas有限元软件，建立东关大桥的有限元动力分析模型，研究该桥的自振特性；2基于该异形拱塔桥型的自振特性，将地震的作用加到模型结构当中，进行反应谱分析和一致激励线性动态时程分析，并对反应谱和时程分析的结果进行分析与比较^[[3]]；3、考虑该模型的几何非线性问题，进行一致激励动态时程响应分析，对非线性引起的影响结果进行分析；4、在多点激励下，考虑行波效应对结构进行时程响应分析，对考虑行波效应产生的结果进行分析。

桥梁抗震计算的理论

2.1桥梁抗震设计方法

桥梁抗震设计的方法随着一次次地震惨痛的教训而进步与发展。在桥梁的抗震设计中，我们最早采用的便是简化的静力法，然后发展到50年代之后，桥梁学者们就发展到了动力法中的反应谱理论，到了现代动力法的动态时程分析法也得到了发展与完善。各种分析方法随着时代的进步而进步。下面将介绍具体介绍这三种方法。

2.1.1 静力法

静力法的概念早在1899年时日本的大房森吉就提出了静力法。假定各个部分与基础下部土体具有相同的振动。假定建筑物上作用的力只有惯性力，在做抗震设计时一般把惯性力等效为静力荷载施加在建筑物上进行处理。惯性力的大小等于地面运动加速度乘上建筑物的质量M，惯性力的具体计算方程式如下：

（2.1）

在建筑物中各个部分的重量是用W来表示的，对于加速度的峰值与重力加速度g的比值是用K值来表示的。