摘 要

悬索桥作为当前大跨度桥梁主要桥型之一，其构造简单、受力明确、材料利用率高，一度成为跨径1000m以上桥梁的首选桥型。而三塔悬索桥的在大跨度悬索桥应用也越来越多，地震作用在设计时作为频遇荷载考虑，对悬索桥的机构激励存在不稳定性，所以对三塔大跨度悬索桥在地震作用下的响应研究具有重要意义。

本文以襄阳庞公大桥为工程背景，对其进行成桥状态及地震动力响应分析与研究。主要做一下几个方面的研究：

(1)建立有限元分析模型，对实桥设计进行模拟分析，建模过程中，根据实际桥梁的构件进行单元划分与特征值计算。整桥被划分成668个单元，根据节线法进行成桥状态下的桥梁线形分析，再由有限元模型计算出主要单元的张力对节线法验证。

(2)地震响应分析借用大型有限元仿真软件ABAQUS，采用时程分析法进行分析。在软件中输入E1—Centro地震波，采用0.2g进行调幅，根据实际响应调整分析步大小为0.05，依次输入纵向、横向与竖向地震波，得出结构在不同方向地震作用下的响应特性。

通过以上研究成桥状态下，靠近桥塔的主缆单元和吊索单元张力最大，吊索和主缆位移在跨中的变形最大，主要变形量集中表现在竖直方向，可见悬索桥的受力特性为主缆和吊索主要受拉。横向地震对三塔悬索桥影响最大，主要表现在主缆的应力和桥的位移变化上。

关键词：大跨度悬索桥；三塔；成桥状态；地震响应；有限元分析

Abstract

Suspension bridge is one of the main bridge types of the current long-span bridge. Its simple structure, definite force, and high material utilization rate have become the preferred bridge type for bridges with a span of over 1000m. The three-tower suspension bridge has more and more applications in long-span suspension bridges. The seismic action is considered as frequent load in the design and there is instability in the mechanism excitation of the suspension bridge. Therefore, the response of the three-span long-span suspension bridge under earthquake is considered. Research is of great significance.

This paper takes the Panggong Bridge in Xiangyang as the engineering background, and analyzes and studies the state of its bridge formation and seismic dynamic response. Mainly to do some research:

(1) Establish the finite element analysis model and simulate the real bridge design. During the modeling process, unit division and eigenvalue calculation are performed according to the actual bridge components. The whole bridge is divided into 668 units. According to the method of pitch line, the bridge line shape analysis under bridge state is performed. Then the finite element model is used to calculate the tension of the main unit and verified by the pitch line method.

(2) Seismic response analysis Using large-scale finite element simulation software ABAQUS, time-history analysis was used for analysis. Enter E1—Centro seismic wave in the software, use 0.2g for amplitude modulation, adjust the step size according to the actual response to 0.05, input longitudinal, transverse, and vertical seismic waves in sequence to obtain the response characteristics of the structure under different directions of earthquake action.

According to the above studies, under the bridged state, the main cable unit and the sling unit near the bridge tower have the highest tension, and the displacement of the sling and the main cable in the midspan is the largest, and the main deformation is concentrated in the vertical direction, showing the force of the suspension bridge. Characteristics are mainly pulled by the main cable and sling. Lateral earthquakes have the greatest impact on the three-tower suspension bridge, which is mainly reflected in the stress of the main cable and the displacement of the bridge.

Key Words: Large-span suspension bridge, Three towers, Completion status, Earthquake response, Finite element analysis.

目录

第1章 绪论 1

1.1 悬索桥的发展与展望 1

1.1.1 国内悬索桥的发展 1

1.1.2 国外悬索桥的发展 2

1.1.3 大跨度多塔悬索桥的发展 4

1.2 悬索桥抗震的发展 4

1.3 本文研究内容 5

1.4 本章小结 6

第2章 悬索桥地震响应分析方法介绍 7

2.1 引言 7

2.2 静力法 7

2.3 反应谱法 7

2.4 时程分析法 9

2.5 人工合成地震波 12

2.5.1 由标准反应谱推算功率谱 12

2.5.2 合成地震波 12

2.6 本章小结 14

第3章 大跨三塔悬索桥成桥状态模型 15

3.1 大跨度三塔悬索桥合理成桥状态分析 15

3.1.1 悬索桥初始平衡状态 15

3.2 工程概述 17

3.3 大跨度三塔悬索桥模型的建立 19

3.3.1 MIDAS模型建立流程 19

3.3.2 MIDAS模型概述 19

3.4 成桥阶段静力模型分析 20

3.4.1 恒载作用分析 20

3.5 本章小结 26

第4章 地震响应分析 27

4.1 引言 27

4.2 静力模型对比 27

4.2.1 ABAQUS模型简述 27

4.2.2 成桥结构对比 28

4.3 悬索桥地震响应特性 31

4.3.1 纵向地震作用 32

4.2.2 横向地震作用 35

4.2.3 竖向地震作用 39

4.3 本章小结 41

第5章 结论与展望 42

5.1 结论 42

5.2 需要改进之处和进一步研究建议 42

参考文献 44

致谢 45

第1章 绪论

1.1 悬索桥的发展与展望

悬索桥(Suspension Bridge)又称为吊桥，是以缆索作为主要承重构件的桥梁，缆索锚固于两岸并悬挂在索塔上，通过索缆垂下的吊杆与桥面的加劲梁相连，固定桥面。缆索形状一般接近于抛物线，简化计算过程。

1.1.1 国内悬索桥的发展

悬索桥发源于原始社会，热带原始居民利用森林中的藤、竹等植物做成原始的藤竹桥是最早的悬索桥雏形。在公元前250年建成供行人行走的“窄桥”是最早有文字记载的悬索桥雏形，在我国四川境内；在汉宣帝时期，由于冶铁技术的发展，建成了长达百米的铁索桥。1665年，传教士Martini将一篇《铁索桥记》的游记翻译并传播到西方，自此西方开始了悬索桥的探索历程^[1]。

虽然国内悬索桥发源较早，但是国内近代第一座悬索桥是1938年在湖南建成的能滩桥，而后陆陆续续又有一批悬索桥建成通车，包括同年建成的云南沧澜江老功果桥及1939年建成的怒江惠通桥。当时建成的悬索桥跨径相较欧美国家的悬索桥跨越能力有着不小的差距，且技术相当对落后^[2]。

新中国成立后，随着改革开放的深入，我国悬索桥的发展速度逐渐提升。1951年，在四川泸定大渡河上架设的大渡河桥主跨径165m，这座桥也是著名的大渡河铁索桥的留存的痕迹；1969 年于重庆建成朝阳桥，该桥主跨径186m，主梁采用双链加劲梁；1985年建成的西藏达孜桥跨越拉萨河的悬索桥，该桥跨径达500m；1987年，采用三跨简支加劲桁架悬索桥建成的大连北大桥，全长230米，中跨跨径132米，桥宽12米；1988年在甘肃关头，选用双链式加劲桁架建成的玉垒关白龙江吊桥，主跨径180m。进入20世纪90年代，随着改革开放的成果日益明显，国民经济迅速增长，也刺激了交通运输行业的发展。桥梁作为交通运输线路的跨越最强的工具，在交通建设中也得到了发展。悬索桥的跨越能力强，是特大桥梁的首选桥型之一，在交通发展中得到了重视。广东作为改革开放的直接受益城市，在悬索桥建设中表现活跃。1995年12月建成通车的广东汕头海湾大桥，全长2500m，被誉为中国第一座大跨度现代悬索桥， 452m主跨位居预应力混凝土加劲梁悬索桥世界第一；1997年6月建成通车的广东虎门大桥主航道悬索桥，主跨888m，是中国第一座高速公路上的六车道悬索桥；1997年开放通车的香港青马大桥桥身总长度 2200 米，主跨1377米，离海面高62米，缆绳长16000公里，创造了世界最长的行车铁路两用吊桥纪录。在积累了大量大跨度悬索桥建设经验后，我国又陆续建成了多座具有重要意义的悬索桥。1999 年9月竣工通车的江阴长江公路大桥是我国首座跨径超千米的特大型钢箱梁悬索桥梁，也是20世纪“中国第一、世界第四”的钢箱梁悬索桥；2005年建成的润扬长江大桥南汊悬索桥主跨1490米，为当时中国第一世界第三大跨径悬索桥，其主塔高215.58米，为国内第一高塔，主缆长2600米，为国内第一长缆，大桥钢箱梁总重34000吨，为国内第一重，钢桥面铺装面积达71400平方米，为国内第一大面积钢桥面铺装，锚碇锚体浇铸混凝土近6万立方米，为国内第一大锚碇。这些桥梁的建成充分表面我国的悬索桥修建技术已然居于世界前列，而且可以预见随着我国桥梁科研、设计、施工队伍的科技水平不断提高，将会建成更多更好跨越我国众多江河湖泊、海峡港湾的悬索桥^[2]。

虽然我国现代悬索桥建设相对于欧美国家起步晚，但是通过不断实践和创新，国内的悬索桥发展进程已经迎头赶上。我国国土面积大，地型地貌丰富，国内悬索桥在发展过程中不断创新，不断提高，修建了许多世界瞩目的悬索桥。由此可见，国内悬索桥修建技术已经跻身世界前列，在将来建设进程中，我国悬索桥的研究水平与施工技术会不断提高，将会跨越崇山峻岭，为我国交通事业的发展做出卓越的贡献。

1.1.2 国外悬索桥的发展

美国悬索桥的第一次尝试是在1801年，美国工程师詹姆斯·芬莱建造出近代第一座悬索桥－雅各布涧桥。该桥的跨径只有21m，但是却提供一种新桥型的建筑思路。1810年，腾普莱曼建造出一座铁链桥将悬索桥的跨径提高至74.3m。在不断思考和实践的积累的经验下，美国的铁链悬索桥建造技术逐渐发展成熟，这十年间，美国建成了多座铁链悬索桥。1830至1832年，美国向法国学习了用锻铁丝代替铁链技术，1847年美国将新技术运用悬索桥的建造中来，修建了跨俄亥俄河的惠林悬索桥，跨径达到了308m，刷新了当时的桥长记录。1883年建成了总长1825m，主跨达488m的布鲁克林桥，当时被誉为“世界第八大奇迹”^[3]。在建成布鲁克林桥后，美国悬索桥发展迎来兴盛的时期，在20世纪30年代，美国先后建成了跨度超过千米的乔治华盛顿大桥，有修建了金门大桥，后者主跨达1280m，被认为是世界上最漂亮的结构之一。但是，1940年发生的塔科马海峡老桥风毁是事故，使得美国的悬索桥建设脚步放缓，开始思考悬索桥在环境激励下的安全及使用寿命问题。到了20世纪50年代，桥梁风洞试验的兴起让美国找到克服悬索桥抗风的问题，悬索桥的建设再次在美国蓬勃发展起来。直至今日，美国仍是世界上拥有悬索桥最多的国家，并形成了其独有的“美式”悬索桥风格。

欧洲在1741年建成了第一座铁链悬索桥，处于英国，跨度为21.34m。文艺复兴到19世纪，英国的悬索桥建设迅速发展。期间，英国建成了大量的悬索桥，最具有代表性的是1820年到1826年间，泰尔夫在威尔士－梅莱峡上建造了一座跨径为174m的铁链悬索桥。泰尔夫在修建悬索桥的同时，也展开金属丝的试验，想通过试验结论来指导悬索桥的建设。在他不懈的努力下，得出“悬索桥主缆设计允许应力不应超过抗拉强度的三分之一”的结论。这一结论使人们意识到，在悬索桥的建设过程中应该将经验与试验理论相结合，不能一味的凭借经验来架桥。在此背景下，法国的纳威尔被派至英国学习悬索桥。1823年，纳威尔在英国学习悬索桥理论归国后，法国也兴起了悬索桥建筑热潮，1823年至1870年间法国共建了500多座悬索桥，包括具代表性的跨径为265m弗莱堡桥,直至19世纪末该桥仍是欧洲最大的悬索桥。20世纪开始，欧洲的悬索桥继续发展创新，英国在1966年建成主跨988m的塞文桥。塞文桥是悬索桥发展历程中的一个新的里程碑，它首次采用扁平流线型全焊钢箱梁，并利用斜吊索来提高桥梁的抗风阻尼。1997年，丹麦耗资约48亿美元建成大贝尔特桥，首次提出使用寿命为100年，即保证其力学性能同时规定钢筋在百年内不会锈蚀。欧洲现代大跨悬索桥确定形成了混凝土桥塔、扁平流线型全焊加筋钢箱梁的英国流派悬索桥风格^[3]。

日本悬索桥起步较晚，在建设前期经过了三座悬索桥的实践，其后在80年代通过本洲四国联络桥的建设，修建了一系列的大跨度悬索桥。在1988年建成的南备赞大桥跨径1100m是亚洲第一座千米以上的大跨桥，随后又在1998年建成了世界第一大跨径的明石海峡大桥，至今仍然霸占着“世界第一悬索桥”的称号。虽然日本悬索桥的修建历程短，但是其发展势头迅猛，后来居上。日本的悬索桥主缆架设采用预制平行钢丝束股法，加劲梁仍采用美式的钢桁架梁形式。

表1.1 世界十大悬索桥

纵观悬索桥的发展历史，国内悬索桥发源早，但是现代悬索桥起步较晚，而国外悬索桥是早年由国内传播过去的，但是现代悬索桥的实践经验及理论研究都是国外提出的。尤其是美国的悬索桥技术更是在20世纪中旬已经达到巅峰，修建了一大批具有现代意义悬索桥。国内现代悬索桥的在大跨度悬索桥上的建造是从20世纪90年代开始的，至今也修建了许多大跨度悬索桥，其中舟山西堠门大桥主跨为世界第二，仅此于明石海峡大桥。且在表1.1中的世界悬索桥排行榜上中国有5座。

1.1.3 大跨度多塔悬索桥的发展

现代悬索桥的之所以能够成为大跨度桥梁的首选桥型之一，其主要原因有：(1)现代对悬索桥理论的研究不断完善，从十九世纪出开始，悬索桥的线型就被当做抛物线来研究，在后续的悬索桥建设过程中有将悬索桥的理论发展更加完备，而目前非线性有限元理论是悬索桥所有结构分析理论中最精确的；(2)随着计算机的发展，大家对有限元的分析方法的运用也愈发的熟练，使得计算悬索桥的设计模型时得到结构细节结构更加迅速，精确；(3)悬索桥的受力特点在于其主要承担荷载的构件是主缆，而现代应用高强钢丝做主缆使得悬索桥拥有更强的跨越能力，相对于其他桥型来说悬索桥作为大跨度桥梁有着明显的优势。

悬索桥是一种柔性预应力结构，主缆、吊杆的预（拉）应力对于成桥后的静动力性能影响较大，在活载的作用下，加劲梁和主缆都会产生较大的纵横向位移，并且两者的变无形无法保持同步，所以传统的悬索桥采用的都是双塔形式。但是对多跨悬索桥的研究始终没有停止。多塔悬索桥研究主要分以下几个阶段：在双塔悬索桥基础上，通过立于两座悬索桥中间的锚碇将两座独立的悬索桥相连，这样形成的“多塔”悬索桥本质是两座悬索桥的搭接，其受力还是独立的，如美国的旧金山奥克兰西海湾大桥；1937年法国在修建教皇新报桥时首次实现了多塔连跨悬索桥，该桥跨度很小，缺为大跨度多塔悬索桥的建造提供了宝贵的经验；经过不断的摸索和总结实践经验，大跨度多塔悬索桥多次在设计方案中被提出，如奥克兰西海湾大桥、墨西哥拿海峡大桥等，其主跨的跨度也得到了极大的发展，实现了千米的跨越的多塔悬索桥研究建成，如泰州长江公路大桥、鹦鹉洲长江大桥、阳逻长江大桥等。

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