摘 要

斜拉桥作为现代桥梁最具竞争力的桥型之一，不但造型优美，而且具有良好的经济优势和力学性能，被广泛应用于公路和铁路当中。而随着设计与建造技术的不断发展，出现了很多异型桥，这类桥造价高，设计难度大，如果在地震中受到破坏，损失将无法估量。因此其抗震性能研究也成为目前研究的热点问题。

论文首先介绍异形塔斜拉桥相关的应用前景、发展前景及抗震分析理论，然后总结该类异形塔斜拉桥的MIDAS/CIVIL建模相关事项。利用该有限元模型，分别进行动力特性分析，得到其固有频率和振型特点等模态参数；采用反应谱分析和时程分析两种不同的方法对异性塔斜拉桥的地震响应进行了分析。

通过分析表明：两种分析方法得到的地震响应规律相同，横桥向为主的地震荷载作用对桥梁地震响应影响较大。本文的结果可为同类异性塔斜拉桥的抗震设计提供理论参考，具有一定的价值。

关键词：异形塔；斜拉桥 ；动力特性；反应谱分析；时程分析

Abstract

As one of the most competitive bridge types of modern bridges, cable-stayed bridges are not only sleek, but also have good economic and mechanical properties. They are widely used in highways and railways. With the continuous development of design and construction technology, there have been a number of special-shaped bridges. Such bridges have high construction costs and are difficult to design. If they are destroyed in an earthquake, the losses will be incalculable. Therefore, the study of its seismic performance has also become a hot issue of current research.

The dissertation firstly introduces the related application prospects, development prospects and seismic analysis theory of the cable-stayed bridges with irregular towers, and then summarizes the MIDAS/CIVIL modeling related issues of the cable-stayed bridges with special-shaped towers. The finite element model was used to analyze the dynamic characteristics, and the modal parameters such as natural frequency and mode shape characteristics were obtained. The seismic response of the cable-stayed bridge of the opposite tower was analyzed by two different methods: response spectrum analysis and time history analysis.

The analysis shows that the seismic response laws obtained by the two analytical methods are the same, and the seismic load acting mainly on the transverse bridge has a greater impact on the seismic response of the bridge. The results of this paper can provide theoretical reference for the seismic design of the same type of heterotypic tower cable-stayed bridges and have certain value.

Key Words: special-shaped tower; cable-stayed bridge; dynamic characteristics; response spectrum analysis; time-history analysis

目录

摘 要 3

Abstract 4

第一章 绪论 1

1.1斜拉桥发展概况 1

1.2异形塔斜拉桥的概况 3

1.2.1异形塔斜拉桥的发展 3

1.2.2异形塔斜拉桥的特点 6

1.2.3研究背景 7

1.2.4异形塔斜拉桥抗震研究现状 8

1.3本文研究内容 9

第二章 Midas模型的建立 10

2.1工程概况 10

2.2有限元模型的建立 11

2.2.1主梁模拟 12

2.2.2异形拱塔模拟 13

2.2.3斜拉索模拟 14

2.2.4下部结构模拟 15

2.2.5全桥模型 16

2.3本章小结 17

第三章 结构动力特性分析 18

3.1斜拉桥动力特性 18

3.1.1动力特性理论 18

3.1.2动力特性计算分析 19

3.2本章小结 23

第四章 地震响应分析 24

4.1反应谱分析 24

4.1.1反应谱分析方法 24

4.1.2反应谱法 24

4.2时程分析 31

4.2.1时程分析方法 31

4.2.2时程分析法 31

4.3时程分析与反应谱分析结果分析比较 36

4.4本章小结 36

第五章 结论与展望 37

5.1结论 37

5.2展望 37

参考文献 38

致谢 39

第一章 绪论

随着社会的高速发展，人们出行对交通的要求越来越高。桥梁工程可以成功的承担起两点之间的连接作用，因此在交通运输线路中的发挥着越来越重要的作用^[1]。优秀的一个桥梁作品，不仅可以满足人们的交通需求，也可以成为一个城市或地区的标志性建筑，并因此发展为城市文化。在桥梁工程中，斜拉桥以其独特的形式存在，并且在近代取得了跨越式的发展^[2]。

1.1斜拉桥发展概况

斜拉桥与悬索桥（吊桥）一样都是缆索承重桥，在最近大约50年左右的时间里，斜拉桥得到了较大的发展^[3]。斜拉桥的构件主要包括桥塔、加劲梁和斜拉索三部分，结构受力是以斜拉索受拉、主梁和主塔受压（压弯）为主，是一种柔性结构体系。斜拉桥的出现最早可以追溯到18世纪初，但初期由于诸多原因发展较缓慢，从17世纪到19世纪的这段时间里，斜拉桥的发展相比于其他桥是相当缓慢的^[4],并因两座斜拉桥的倒塌事件而一度停止发展，甚至桥梁工程师不在考虑斜拉桥，因此悬索桥顺利承当的成为大跨度桥梁的唯一桥型选择。斜拉桥初期发展受限的原因主要可以概括为：在当时的时代背景下，缺乏完善的力学分析理论，不足以分析斜拉桥的力学特性；缺乏计算分析手段，例如一些桥梁计算软件，不能对斜拉桥进行结构计算分析；最重要的一点是缺乏适合斜拉桥的材料，当时只能考虑木材、铁杆和铁链等，但都不适合。因此以当时的时代背景，斜拉桥的发展比较缓慢。

表1.1 具有里程碑意义的现代斜拉桥

欧洲在第二次世界大战后的大规模重建和现代材料的进步，给斜拉桥带来了发展的机遇。1956年斯特洛姆桑特桥（Stromsund）在瑞典建成通车，如图1.1所示，现代斜拉桥形成。随后出现了一大批具有里程碑意义的现代斜拉桥，如表1.1所示。斜拉桥由稀索体系转变为密索体系是在德国工程师霍姆伯格的推动下，是斜拉桥发展的一个关键进步。

图1.1 Stromsund桥

虽然国内斜拉桥出现的较晚，但发展迅速。我国第一座斜拉桥为1975年修建的四川云阳桥，跨度为76m的斜拉桥，随后在短短的几十年里，国内斜拉桥数量不断增加，跨径也在不断被刷新，2008年建成通车的苏通大桥以1088m的超大跨度成为世界斜拉桥排名的第二名，如图1.2所示。这也代表着我国斜拉桥自主创新的能力，也可以看出我国斜拉桥的世界地位也在加强。

图1.2 苏通大桥

1.2异形塔斜拉桥的概况

现代斜拉桥的快速发展造成人们对斜拉桥的要求越来越高，不止要求桥梁结构保证安全，也要求一定的美观。加上道桥景观设计在桥梁设计中占的比重越来越大，异形塔斜拉桥的出现完美解决了这一问题。而异形塔斜拉桥的发展也使得斜拉桥在城市桥梁中的地位越来越高，异形塔斜拉桥的建造已经成为一个地区发展水平的标志。

1.2.1异形塔斜拉桥的发展

现代斜拉桥从第一座斜拉桥Stromsund桥开始，得到了充足的发展，而人们对斜拉桥造型美观提出了新的要求，不同于传统意义上的斜拉桥，斜拉桥在他们的基础上改变了塔和斜拉索的形式，扩展了斜拉桥的结构形式^[22]。斜拉桥作为地区发展水平的标志，其作用不仅仅是满足城市交通的需求，还拥有这个城市的文化。因此，斜拉桥作为艺术与工程的结合体，需要增加其作为城市地标性建筑的景观性^[5]。桥塔作为斜拉桥的重要构件，最能表现出斜拉桥的景观性，也能给人们留下深刻的印象，并可以根据设计给斜拉桥一种城市文化，成为一座城市的地标性建筑。不仅仅是桥塔在变化，斜拉索的索面布置形式也在变化，桥塔和斜拉索形式的不同，共同产生了多种异形塔斜拉桥。异形塔斜拉桥发展到现在，世界上出现了许多异形塔斜拉桥。

（1）荷兰Erasmus桥（天鹅桥）于1996年建成，如图1.3所示。其连接着鹿特丹城市的北部和南部，是荷兰最高的桥，也是鹿特丹的官方标志。Erasmus桥是单塔单索面非对称布索斜拉桥，其主塔一边是斜拉索，另一边是双根分开的刚性支杆。

图1.3 荷兰Erasmus桥

（2）福清观音埔大桥是福清首座“斜塔斜索式”大桥，如图1.4所示。该大桥采用单斜塔斜拉桥的造型，与外张的拉索、梁体构成了整体，形似漂洋的船，大桥全长1080m。

图1.4 福清观音埔大桥

（3）哈尔滨太阳桥为亚洲第一座独塔前倾无背索全钢结构斜拉桥，如图1.5所示。太阳桥桥长228m，主跨140m，桥宽15.5.m。太阳桥斜塔不设背索，前倾的主塔通过拉索使桥梁平衡，并被评为哈尔滨市优质工程。

图1.5 哈尔滨太阳桥

（4）通州世纪大桥是双跨独斜拱塔双索面预应力混凝土斜拉桥，如图1.6所示。属于塔梁墩固结体系，跨径组合为110m（主跨） 80m（锚跨），桥梁全长190m。“拱形”索塔，钢结构。从承台顶算起，塔高约62m，塔向岸跨倾斜15°。塔身为箱型截面，顺桥向为变宽，横桥向为椭圆线性。

图1.6 通州世纪大桥

（5）神州友谊大桥（彩虹桥）为独塔式无背索斜拉桥，如图1.7所示。该桥为酒泉卫星发射中心航天城的标志性建筑之一，它完全是凭借主塔自重来平衡动力及静力荷载作用。桥身轻盈、优美、线性流畅、亦静亦动，给了人们力量感与柔度感的完美结合的“第一印象”。

图1.7 神舟友谊大桥（彩虹桥）

1.2.2异形塔斜拉桥的特点

传统的斜拉桥在结构形式上相对规则，不同于传统斜拉桥，异形塔斜拉桥在主塔和斜拉索的索面布置上比较多变，没有相关的规则约束。因此，异形塔斜拉桥在结构上比较容易创新，通常所见的索塔斜拉桥桥塔拥有很多结构形式。从顺桥向看，斜拉桥主塔经常采用的结构形式有单柱式、倒Y形和A字形，如图1.8所示；从横桥向看，斜拉桥主塔经常采用的结构形式有A形、倒Y形和菱形，如图1.9所示，棱形主塔在斜拉桥中运用的比较多^[7]。异形塔斜拉桥主要是指索塔与常见的斜拉桥的索塔在外形和构造上不同，例如拱形桥塔、桥塔倾斜或弯曲。因此，异形塔斜拉桥的受力情况要比常规斜拉桥复杂的多。目前已被设计应用于工程实践的异形桥塔类型主要有倾角独塔、空间曲线形塔、折线形塔、无背索独塔、三角形塔、拱形（斜）塔和V形塔^[8]。

图1.8 顺桥向桥塔形式（单柱式；倒Y形；A字形）

图1.9 横桥向桥塔形式（A形；倒Y形；菱形）

1.2.3研究背景

地震是由于地壳运动快速释放能量造成震动，期间产生地震波，造成巨大的破坏的一种自然现象^[9]。地震是一种自然现象，最明显的特点是突发性和破坏性。地震的发生往往不能被科学准确的预测出来，因此当地震猝不及防的发生时，不可避免的会对桥梁工程造成严重破坏，造成整个交通路线的瘫痪。对桥梁工程而言，地震的破环要比其他自然灾害带来的破坏大，不管是从哪一方面而言。严重的桥梁破坏不但影响到交通路线的完整性，而且常常会引起滑坡、桥梁崩塌、地面裂缝等次生灾害，同时影响到抗震救灾工作的进行，从而加重地震对桥梁工程破坏的影响。由于异形塔斜拉桥大都建立在人口密集的城市，并且处于城市重要干线上，地震的灾害更加严重。因此为了减轻地震灾害所造成的损失，需要我们在进行桥梁设计时充分考虑到地震的危害，并对已有桥梁做好抗震加固工作。从地理位置来看，我国处于地震频发的位置，跟据相关资料不完全统计，自新中国成立以来，全国已经发生3次8级以上地震，36次7级以上地震，200多次6级以上地震 ^[10]。

联系到我国实际情况，为了满足我国快速发展的社会需要，近些年来修建在城市中的异形塔斜拉桥越来越多，但在修建这些工程的同时也伴随着地震灾害的频繁发生，考虑到这些桥梁工程在国家经济建设和交通安全等方面的关键地位，以及地震灾害造成的巨大损失，对异形塔斜拉桥开展抗震性能研究显得十分迫切和必要。

1.2.4异形塔斜拉桥抗震研究现状

随着社会的发展，道桥景观设计在桥梁设计中占的比例越来越高，而异形塔斜拉桥以其独特的结构形式在现代斜拉桥中有着不可轻视的地位，尤其在城市建设中，异形塔斜拉桥优美的外观而深受桥梁工程师的喜爱。但不可忽视的是异形塔斜拉桥受力复杂，为了保证桥梁的安全和交通的流畅，我们必须进行异形塔斜拉桥的抗震性能研究。异形塔因其不同的桥塔可能抗震性能也不同。在一些相关文献中，国内外学者是通过桥塔的不同、地震的输入方向几个方面对桥梁抗震性能研究的。

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