摘 要

近年来，我国基础设施建设在交通、能源、水利、信息等领域取得了长足进步，随着西部大开发战略的进一步实施，我国基建重心逐渐向西部强震区转移。同时，国际基础建设也正处于发展高峰期，我国土建行业“走出去”发展战略和海外工程建设迎来良好的历史机遇与挑战。在大型基础设施建设项目中，交通运输基础设施建设迎来发展黄金期，桥梁作为区域交通不可或缺的一部分，在地震灾害中一旦遭到破坏将危及人民的生命安全和经济损失，尤其是大跨度斜拉桥。桥梁抗震设计理念经历了由基于强度的单一设防水准向基于性能的抗震设计转变，国内外学者对基于性能的桥梁抗震设计和抗震体系、减震措施展开了深入研究。本文对巴拿马运河四桥提出了固结体系、仅塔梁固结体系和漂浮体系三种抗震体系，并围绕各体系着重进行了纵、横向地震响应对比研究。本文主要研究内容和结论如下：

1. 根据桥梁的实际构造和约束情况分别建立了三种体系的SAP2000动力有限元模型，分析了它们的动力特性。由于漂浮体系整体较柔，一阶周期远大于固结体系和仅塔梁固结体系，出现主梁纵向漂浮振型。
2. 采用动力时程分析方法对比分析了三种体系在FEE和SEE地震下的纵向墩、塔底动内力响应和结构关键部位位移响应。结果表明漂浮体系可以有效减小主塔塔底动内力，固结体系辅助墩墩底动内力相比漂浮体系和仅塔梁固结体系显著增大。而漂浮体系由于纵向刚度较小，产生过大的纵向位移响应。
3. 在三种体系模型中设置纵向粘滞阻尼器分析阻尼器对主、引桥梁端相对位移响应影响，并进一步对漂浮体系在不同位置设置粘滞阻尼器研究阻尼器布置位置效果。分析表明粘滞阻尼器能够显著降低主、引桥相对伸缩变形量，同时对漂浮体系而言，仅在主桥和引桥梁端设置阻尼器减小相对位移响应效果最为明显。
4. 采用动力时程分析方法对比分析了仅塔梁固结体系和固结体系在FEE和SEE地震下的横向墩、塔底动内力响应和结构关键部位位移响应。并通过改变辅助墩横向约束状态和墩柱截面横向尺寸进一步研究横向抗震体系优化方案。分析结果表明：放开辅助墩横向约束总体可以有效降低墩、塔底动内力响应，但M7辅助墩发生共振使M7墩底动内力陡然增大；适当减小辅助墩墩柱横向尺寸可以有效降低墩、塔底动内力。
5. 基于各体系的纵、横向地震响应对比分析和优化方案研究，本文最终提出最优抗震体系为将辅助墩墩柱截面横向尺寸适当缩小、设置粘滞阻尼器的仅塔梁固结体系。

关键词：基于性能桥梁抗震设计、大跨度斜拉桥、抗震体系

Abstract

In recent years, China's infrastructure construction has made great progress in the fields of transportation, energy, water conservancy and information.At the same time, the international infrastructure construction is also in the peak period of development, China's civil engineering industry "going out" development strategy and overseas engineering construction usher in good historical opportunities and challenges.In large-scale infrastructure construction projects, the construction of transportation infrastructure has ushered in a golden period of development. As an indispensable part of regional transportation, bridges will endanger people's lives and economic losses once damaged in earthquake disasters, especially long-span cable-stayed bridges.The concept of seismic design of bridges has changed from a single fortification level based on strength to a performance-based seismic design.In this paper, three kinds of seismic systems, namely, consolidation system, tower girder consolidation system and floating system, are proposed for the fourth bridge of the panama canal.The main contents and conclusions of this paper are as follows：

(1) SAP2000 dynamic finite element models of three systems are established according to the actual structure and constraints of the bridge, and their dynamic characteristics are analyzed.Because the floating system is generally soft, the first-order period is much greater than that of the consolidation system and the tower girder consolidation system, leading to the longitudinal floating mode of the main beam.

(2) The longitudinal dynamic internal force response of the bottom of the pier and tower and the displacement response of the key parts of the structure of the three systems under the earthquake of FEE and SEE were compared and analyzed with the method of dynamic time-history analysis.The results show that the floating system can effectively reduce the dynamic internal force at the bottom of the main tower, and the dynamic internal force at the bottom of the auxiliary pier of the consolidation system is significantly larger than that of the floating system and the tower girder consolidation system.However, due to the small longitudinal stiffness, the floating system generates excessive longitudinal displacement response.

(3) Longitudinal viscous dampers were set in the three system models to analyze the influence of the dampers on the relative displacement response of the main bridge and the approach bridge end, and the effect of viscous dampers placed in different positions of the floating system was further studied.The analysis shows that viscous dampers can significantly reduce the relative stretching deformation of the main bridge and the approach bridge. Meanwhile, for the floating system, only setting dampers at the end of the main bridge and the approach bridge can reduce the relative displacement response.

(4) The transverse dynamic internal force response of piers and tower bottom and the displacement response of key parts of the structure under the earthquake of FEE and SEE were compared and analyzed by using the dynamic time-history analysis method.By changing the lateral constraint state of the auxiliary pier and the lateral dimension of the pier section, the optimization scheme of the lateral seismic resistance system is further studied.The analysis results show that the overall dynamic internal force response of pier bottom and tower bottom can be effectively reduced by releasing the lateral constraint of the auxiliary pier, but the dynamic internal force of M7 pier bottom increases sharply due to the resonance of the auxiliary pier.The dynamic internal forces of pier bottom and tower bottom can be effectively reduced by appropriately reducing the transverse dimension of the auxiliary pier column.

(5) Based on the comparative analysis of the longitudinal and transverse seismic responses of each system and the study of optimization schemes, this paper finally proposes that the optimal seismic system is a trabecular girder consolidation system which reduces the transverse section size of auxiliary piers appropriately and sets viscous dampers.

Key words: performance-based bridges seismic design; long-span cable-stayed bridge; seismic system

目 录

第一章 绪论 1

1.1. 研究背景 1

1.2. 研究现状 2

1.2.1. 大跨度桥梁抗震与基于性能的抗震设计理论发展 2

1.2.2. 斜拉桥抗震体系国内外发展与研究现状 3

1.3. 研究目的与意义 4

1.3.1. 课题研究目的 4

1.3.2. 课题研究的意义与价值 4

1.3.2.1. 对个人的意义 4

1.3.2.2. 对强震区大跨度斜拉桥抗震设计理论与实践的意义 5

1.4. 主要研究内容 6

第二章 桥梁概况与动力特性 7

2.1. 桥梁概况 7

2.1.1. 主桥 8

2.1.2. 主梁 8

2.1.3. 拉索 9

2.1.4. 主塔和桥墩 10

2.1.5. 基础 12

2.2. 结构抗震体系概念设计 14

2.2.1. 设防标准与性能目标 14

2.2.2. 结构抗震体系概念设计 15

2.3. 地震动输入 15

2.4. 分析模型 17

2.5. 动力特性 18

第三章 纵向地震响应与抗震体系分析 21

3.1. 地震响应分析 21

3.1.1. FEE地震作用 21

3.1.2. SEE地震作用 24

3.2. 主引桥梁梁位移响应分析 27

3.2.1. 漂浮体系 27

3.2.2. 仅塔梁固结体系 28

3.2.3. 固结体系 29

3.2.4. 粘滞阻尼器影响分析 30

3.3. 本章小结 35

第四章 横向地震响应与抗震体系分析 36

4.1. 地震响应分析 36

4.1.1. FEE地震作用 36

4.1.2. SEE地震作用 37

4.2. 横向体系优化 39

4.2.1. 辅助墩横向约束状态影响分析 39

4.2.2. 辅助墩截面横向尺寸影响分析 45

4.3. 本章小结 48

第五章 结论与展望 49

5.1. 结论 49

5.2. 展望 50

绪论

研究背景

改革开放四十年以来，我国基础设施建设在交通、水利、能源、信息等领域取得了历史性的成就，为推动经济发展、社会进步提高人民生活水平提供重要保障。随着基础设施建设的高速发展和西部大开发战略的进一步实施，近年来我国基建重心逐渐向西部山区和强震区转移。根据国家统计局发布的数据显示，2005年至2017年来，我国西部强震区包括四川、西藏、新疆、宁夏、贵州、云南、西藏、甘肃、青海各省的建筑业企业签订合同总额逐年增长，全国占比也由2005年的8.8%上升到2017年的11.8%。图1.1-1显示的是西部强震区的建筑业企业签订合同总额和在全国的占比。从交通基础设施来看，西部地区铁路营业里程、公路里程以及高速公路里程占全国的比重分别从2005年的12.68% 、13.66% 和 18.97% 增长到 2017年的22.73%、27.22%和21.18%。同时，国际基础设施投资建设也正处于发展高峰期，我国土建行业“走出去”发展战略面临良好的历史机

图1.1-1 西部强震区的建筑业企业签订合同总额与全国占比

遇，正飞速迈进发展相对成熟期。2018年，我国对外承包工程业务完成营业额已经达到1690.4亿美元，在过去十多年里增长了十倍。我国海外建设工程项目遍布190多个国家和地区，主要集中在亚洲和非洲，但近两年在非洲市场出现下滑后触底反弹的现象，在亚洲市场业务增速减缓，我国对外承包工程建设项目开始向发达国家欧美和大洋洲市场开拓发展，并伴随着合作模式的升级;然而我国工程技术标准距离国际标准还有一定的差距，大部分国家采用的仍然是欧标、美标、英标等，这就需要加强我国技术标准国际化，推动海外建设工程进一步发展[^[1]]。

我国基础建设能力强，各项大型基础工程成果举世瞩目，都表明中国已跻身建设大国之列，但是我国的基础设计理论相对薄弱，许多设计仍以国外理论为依据或参考，建造设备的核心关键技术也存在着差距，我们需要加强自主创新建设能力，推动设计理论研究，从建设大国项建设强国迈进。

大型基础设施建设项目中，交通运输基础设施建设迎来发展黄金期，桥梁结构作为道路交通不可或缺的重要一环，也随之在跨径和结构构造方面取得了长足的进步。大跨度桥梁作为交通枢纽工程，跨越了江河海洋的障碍，沟通了两岸的运输线路，并在抢险救灾的紧要时刻扮演着救援生命线的重要角色。一旦在灾难中桥梁结构受到破坏导致交通中断，不仅经济损失严重，还会使交通瘫痪，阻碍救援工作的顺利开展，加重灾区人民生命安全和更大经济损失。而我国地处环太平洋地震带和喜马拉雅-地中海地震带之间，地震成为影响我国最危险的自然灾害之一。地震的发生是由地壳的突然断裂、火山喷发及人类活动等导致的，影响范围广，发生突然而破坏性大，还会引发山崩、水灾、火灾、瘟疫等次生灾害。根据结构破坏的原因，地震引起的桥梁震害可分为场地破坏引起的震害和结构强烈震动引起的震害。前者主要因地质灾害导致桥梁发生落梁、被砸坏掩埋等破坏，后者主要包括桥梁上部结构、支座、下部结构和基础破坏。桥梁上部结构震害可分为自身震害、移位震害和碰撞震害；由于支座设计对抗震没有进行充分考虑以及支座本身材料形式缺陷等原因，导致了支座在地震中破坏改变了结构的传力路径，引起桥梁结构破坏；桥梁下部结构和基础的破坏是桥梁震害最为严重的原因之一，同时也因下部结构难以修复影响桥梁震后修复使用。大跨度桥梁结构较柔，自振周期较大能够避开地震卓越周期，但大跨度桥梁的空间尺寸比较大，需要考虑空间地震输入和不均匀地震运动影响，同时其与相邻引桥动力特性相差较大而容易与引桥在连接处发生破坏。斜拉桥凭借造型美观、经济合理、力学性能、施工快捷等优点，已然成为大跨度桥梁的主流桥型。基于地震的巨大破坏性和斜拉桥结构在道路交通中举足轻重的地位，其抗震安全性已成为设计阶段考虑的重要问题。必须重视桥梁结构的总体设计，确定合理的设防标准，采取必要的减隔震措施，使桥梁结构在地震中满足预期性能要求。同时，大跨度斜拉桥的抗震性能与其结构抗震体系直接相关，在斜拉桥抗震设计中也必须选择合理的抗震结构体系以最大限度保证结构的优越抗震性能。

研究现状

大跨度桥梁抗震与基于性能的抗震设计理论发展

桥梁抗震设计理念经历了从最初的单一设防水准逐渐向多水准设防、多性能目标准则的基于性能的抗震设计转变。早期的单一设防水准采用基于强度设计方法来保证生命安全和防止破坏。基于强度的设计方法通过计算结构的弹性地震力，考虑强度折减系数得到结构的屈服力，只考虑了结构的强度目标而没有明确结构将出现的预期性能，同时设计过程和这件系数的选取并不明确。之后在总结一些一些震级并不算太大的地震震害时发现，人员伤亡很少，但经济损失巨大。这引发了国内外学者对结构抗震设防水准的反思，认识到之前只强调生命安全和防止倒塌是远远不够的。20世纪90年代初，美国学者提出了基于性能的抗震设计思想，获得了世界工程抗震届的广泛关注。20世纪 90年代，第一部基于性能的抗震规范FEMA-273由美国应用技术协会(ATC)、美国土木工程师协会(ASCE)建筑安全协会(BSSC)正式开始编制，该规范适用于现有建筑物的加固;同时，受到加州抗震安全委员会(CSSC)委托 ，美国应用技术协会也开始编制专门针对混凝土结构抗震评估与加固的 ATC-40规范,在这两部规范中，明确将性能目标划分为正常使用状态、生命安全状态和避免倒塌状态，并采用了非线性静力分析方法（推倒分析方法）来对结构的性能进行评价[^[2]]。美国加州结构工程师协会(SEAOC)对基于性能抗震设计的解释是“性能设计应该是选择一定的设计标准，恰当的结构形式，合理的规划和结构比例，保证建筑物结构与非结构的细部构造设计，控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在遭受一定水平地震作用下，结构的破坏不超过一个特定的极限状态” [^[3]]。基于性能的抗震设计理采用不同的抗震措施是结构在不同的地震水准下满足相应的性能目标，达到安全与经济的协调。目前美国中国等主要桥梁抗震设计规范都将基于性能的的抗震设计作为基本理论。

斜拉桥抗震体系国内外发展与研究现状

根据基于性能的抗震设计思想，近年来，国内外斜拉桥抗震设计对主桥和引桥的不同结构采用不同的设防标准，并对不同的设防标准确定相应的性能目标。我国苏通长江大桥采用100年超越概率10%和100年超越概率4%两级设防水准，对主塔、承台、桩基等结构的可检性、可换性、可修性、可控性、可加固性提出了内在要求，对主塔、辅助墩、过渡墩和支座提出了相应的性能目标。禹建兵[^[4]]强调了在桥梁抗震设计中概念设计的重要性；总结分析了国内几座大跨度斜拉桥的设防目标，在此基础上，提出了斜拉桥抗震设计应根据不同的地震水准和结构重要性确定不同的设防标准。焦驰宇[^[5]]对大跨度斜拉桥进行地震易损性分析，探讨了基于性能的抗震理论的研究发展和国内外大跨桥梁体系的性能目标，确定了斜拉桥主要结构构件的损伤指标。吴文朋等[^[6]]结合对斜拉桥抗震性能的要求，采用二水准设防两阶段设计的原则，对某混凝土斜拉桥进行了基于性能的抗震分析。徐略勤等[^[7]]确定了斜拉桥的三个抗震性能目标，对某独塔宽幅斜拉桥进行两水准抗震设计，得出该桥在两水准地震下抗震安全储备较低。

目前，针对斜拉桥抗震体系和减震措施问题，国内外学者进行了大量有益的探索和研究，已经取得了一些成果。陈应高等[^[8]]以平塘特三塔斜拉桥为研究背景,对比分析了不同纵向约束体系的地震响应，从而得到了该桥的合理纵向约束体系，同时研究得出在两座边塔处设置液体黏滞阻尼器能够减小结构地震响应。林道锦等[^[9]]在中研究了不同塔梁之间约束关系及基础边界条件对青州闽江大桥抗震性能的影响,计算了几种不同塔梁约束体系的地震响应。叶爱君和范立础[^[10]]研究分析了苏通长江公路大桥3种边墩、梁横向约束体系即横向滑动体系、全限位体系和减隔震体系(流体黏滞阻尼器连接体系)对超大跨度斜拉桥地震反应的影响，并设置流体黏滞阻尼器以降低地震响应，结果表明：边墩、梁之间设置横向流体黏滞阻尼器并分散布置可以有效改善桥梁的横向抗震性能。沈星等[^[11]]研究分析了大跨度斜拉桥边墩采用横向减震体系的适用条件。姜冲虎等[^[12]]以石河子独塔斜拉桥为研究对象，分析了不同纵向约束模型的影响，得出了最优纵向抗震体系。方圆等[^[13]]对某独塔单索面斜拉桥的不同约束体系地震响应进行了分析，阐明了桥梁的合理抗震体系对结构抗震设计的重要性，结论还表明了减隔震设计中拉索支座应用是能够明显提高结构抗震性能的措施。童申家等[^[14]]研究了某大跨度斜拉桥４种横向约束体系在强震下的地震响应，得出在墩、梁间采用减隔震措施为最优体系。薛建朝[^[15]]对比研究了几种常见的斜拉桥体系的抗震性能，分析讨论了消能减震装置和调谐质量阻尼器(TMD)的斜拉桥减震措施。刘晓群[^[16]]分析了某半漂浮体系双塔斜拉桥的抗震性能和减震措施，通过在塔梁连接处安装粘滞阻尼器来实现对该斜拉桥的减震效果。Alfredo Camara[^[17]]研究了3座主跨度分别为200米、400米和600米的附加阻尼器斜拉桥的动力横向地震反应，提出了一种斜拉桥横向地震控制的金属阻尼器优化设计方法。M.D. Martinez-Rodrigo[^[18]]对某强震区斜拉桥的抗震性能进行了研究，分别对该斜拉桥采用金属阻尼器、液体粘性阻尼器、调谐质量阻尼器，进行地震响应对比分析，优化抗震措施选择方案；Fabio Casciati[^[19]]等研究了某斜拉桥加滞回装置后的抗震可靠性和易损性。B.B. Soneji、R.S. Jangid等[^[20]]比较了塔梁间采用弹性连接装置和粘滞阻尼器的减震效果，研究结果表明，粘滞阻尼器能显著降低斜拉桥的地震反应，非线性粘滞阻尼对控制峰值位移更有效，同时对塔的基础剪力也有一定的限制。

研究目的与意义

课题研究目的

通过针对基于性能的巴拿马运河四桥抗震体系设计进行研究，采取相应抗震措施、基于时程分析方法进行地震反应分析，对比分析不同抗震体系，得到巴拿马运河四桥的合理抗震体系。使得高烈度区高墩/塔斜拉桥的抗震设计更上一个台阶，在强震中不至于破坏，真正起到生命桥梁的作用；使我国抗震设计技术结合海外场地特性和抗震设计规范，为海外桥梁的抗震设计提供理论与方法指导。

课题研究的意义与价值

对个人的意义

通过该课题，培养我们查阅文献、独立思考、动手操作的能力，提高我们创新意识，同时，让我们对国内外抗震研究的现状有一定的认识；熟悉海外抗震设计规范，比较国内外抗震设计规范的差异性与适应性；巩固大学所学的理论知识，学习很多其他知识如动力学、有限元等方面的知识，对SAP2000软件的建模操作也更加熟悉。另外，通过软件建模，掌握有限元分析的基本步骤、方法与原则，学会对运行出的地震响应进行分析和思考，得到其中规律和结论；学会对不同抗震体系进行比选，从而得到合理抗震体系；利用实际案列来提高我们解决实际问题的能力，培养我们综合运用知识，将理论联系于实践的能力。通过该课题，更加培养我们的积极性与耐心，吃苦耐劳和勇于突破的精神，为我们以后的工作打好扎实的基础。

对强震区大跨度斜拉桥抗震设计理论与实践的意义

大跨度斜拉桥作为交通枢纽，对于加强区域间交流、承担抢险救援重任有着重大影响，同时其结构和地震响应复杂，在强震区的设计、施工、预期性能都需要专门研究分析，因此采取合理的抗震结构体系和抗震措施来保证在强震中的安全性和经济性具有非常重要的意义。然而，目前国内外大部分的桥梁工程抗震设计只为中等跨径的桥梁提供了可遵循的设计规范，对于大跨度桥梁没有明确的规范可循。比如美国的AASHTO规范以及我国公路工程抗震设计规范的适用范围是150m，日本的规范适用范围是200m，而大跨度的桥梁没有可以遵循的抗震设计规范，因此存在许多需要进一步解决的问题[^[21]]。

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