1、無錫蓉湖大橋抗風抗震初步分析報告中 鐵 大 橋 勘 測 設 計 院2002年7月 武漢分 析復 核專業(yè)負責人站 長 院總工程師前言無錫蓉湖大橋工程位于江蘇省無錫市市區(qū)，該橋跨越京杭大運河。本研究報告所研究的方案為： 145m+41.2m+33.8m獨塔單索面混合梁斜拉橋；橋面以上主塔高為55.3m（不含塔頂裝飾部分）, 橋面以上塔柱為雙柱鋼管砼塔柱，其中錨固區(qū)的雙柱由20mm厚的鋼板相連，下塔柱為單柱砼塔柱，斜拉索為單索面，兩根索沿橫橋向的間距為1.0m。該方案的主梁主跨為鋼箱梁，邊跨為砼箱梁。由于橋址處設計基本風速達25.9m/s，因此，該橋在成橋運營狀態(tài)和施工全過程的抗風安全應高度重視；同

2、時，大橋所在地區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35秒，故該橋在成橋運營狀態(tài)的抗震安全也應重視；為此，我們對該橋的抗風安全性和抗震安全性進行了較為全面的分析。其主要研究內容、主要研究結論及評價如下：1主要研究內容11 設計基本風速、設計基準風速和主梁顫振檢驗風速的確定12 抗震設防標準的確定13 結構動力特性分析14 主梁抗風穩(wěn)定性驗算15 有關抗風的其它問題16 結構的抗震分析2主要研究結論及評價21 基本風壓W0=600Pa，設計基本風速V10=25.9m/s。主梁設計基準風速VD（梁）=21.5m/s；主塔設計基準風速VD（塔）=29.8m/s。施工階段主梁設計基

3、準風速VD（梁施工）=18.1m/s；施工階段主塔設計基準風速VD（塔施工）=25.0m/s。主梁成橋狀態(tài)顫振檢驗風速Vcr=36.1m/s；主梁施工階段顫振檢驗風速Vcrs=30.3m/s。22 抗震設防標準：地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35秒，具體設計計算取地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.30秒，檢算結構物的強度；取地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.30秒，檢算結構物的位移。23 結構動力特性分析和主梁顫振臨界風速的估算（見表一）表一 成橋狀態(tài)動力特性及主梁顫振臨界風速的估算工況豎彎基頻（Hz）扭轉基頻（Hz）Vcr

4、1(m/s)Vcr2(m/s)Vcr (m/s)成橋狀態(tài)0.77111.71402.2225435936.1表中：扭彎頻率比；Vcr1彎扭耦合顫振臨界風速；Vcr2分離流扭轉顫振臨界風速；從上表中可以看出，由于斜拉橋主跨不大，且主跨主梁為箱梁，扭轉剛度較大，橋面較寬，且在結構體系中采取了合理的布置（塔梁固結、設置一個輔助墩），使主梁具有較高的扭轉自振頻率和扭彎頻率比，同時，主梁采用扁平（寬高比12.5）的流線型箱梁，這些對增大顫振臨界風速，減小渦激振的振幅，減小抖振響應均是有利的。同時，也使對結構控制截面地震響應貢獻最大的振型的周期都比較長，為大橋的抗震安全性提供了良好的結構動力學基礎。所有估

5、算出的主梁顫振臨界風速，成橋狀態(tài)主梁顫振臨界風速高達250m/s以上, 遠大于成橋狀態(tài)主梁顫振臨界檢驗風速36.1m/s。從成橋狀態(tài)的抗風安全性角度看，滿足公路橋梁抗風設計規(guī)范的有關規(guī)定，即滿足抗風穩(wěn)定性要求。24 有關抗風的其它問題241 主梁的渦激振豎向渦激共振發(fā)生風速為53.9m/s，扭轉渦激共振發(fā)生風速為79.8m/s；主梁不可能發(fā)生豎向渦激共振和扭轉渦激共振。242 主塔的風振及制振措施獨塔的自立狀態(tài)下可能發(fā)生的風振現象有：馳振、渦激共振，必要時采取如下制振措施：在塔頂安裝TMD；加大主塔結構剛度。243 斜索的風振及制振措施本橋塔較高、跨度不大，經分析，斜索產生馳振、尾流馳振、抖振

6、的可能性不大；渦激振的發(fā)振風速較小，難以提供激起大振幅斜索振動所需的能量；風雨振視成橋運營狀態(tài)的情況再決定是否采取抗風措施，將拉索的間距控制在某一范圍就可避免尾流馳振的發(fā)生。25 結構的抗震分析251 結構的抗震計算獨塔斜拉橋本階段的地震響應一般采用反應譜法，反應譜采用公路工程抗震設計規(guī)范（JTJ004-89）中類場地的動力放大系數。0T0.1s0.1T0.3s0.3T2.343sT2.343s= 中震時，水平地震系數Kh=0.10，豎向地震系數Kv=0.067，并考慮兩種組合：水平縱向0.10g + 豎直向0.067g水平橫向0.10g + 豎直向0.067g大震時，水平地震系數Kh=0.1

7、5，豎向地震系數Kv=0.10，并考慮兩種組合：水平縱向0.15g + 豎直向0.10g水平橫向0.15g + 豎直向0.10g在地震響應分析中，取前50階反應組合，組合方法采用SRSS法，經驗算，結構各部位的地震響應均在設計允許的范圍內，均不控制結構設計。252 結構的抗震措施抗震設計包括抗震計算設計和抗震概念設計，本橋除了上述抗震計算設計外，還應重視抗震概念設計，即包括：正確的場地選擇，合理的結構造型和布置以及正確的構造措施。本橋的結構抗震措施如下：（1） 參考蓉湖大橋工程地質勘察報告,針對橋址處場地類別，對塔、墩基礎選用鉆孔樁。（2） 結構的總體布置，對獨塔斜拉橋有3種結構體系，由于橋址

8、處地震動峰值加速度達100cm/s2(100Y10%的概率水平)，故不宜采用漂浮體系、彈性約束體系。本橋采用塔梁固結體系，對減少結構的位移響應有很大的益處。另外，設置一個輔助墩，對減少主塔結構的橫向內力響應有很大的作用。（3） 抗震構造措施：（a） 在墩與梁交接處的支座采用減隔振性能良好的鉛芯橡膠支座。（b） 對于邊墩和輔助墩結構的橫向地震響應，可按邊墩及輔助墩與梁交接處的橫橋向約束條件，按支座支座破壞擋塊擋塊破壞多道設防體系考慮?？傊Y構各部位的地震響應均在設計允許范圍之內，結構的抗震性能是有保證的。目錄1采用的規(guī)范及參考依據2設計基本風速、設計基準風速和主梁顫振檢驗風速的確定21 設計基

9、本風速22 設計基準風速23 主梁顫振檢驗風速3抗震設防標準的確定4結構動力特性分析41 計算圖式42 邊界條件43 動力特性分析5主梁抗風穩(wěn)定性驗算51橋梁顫振穩(wěn)定性指數52 顫振臨界風速的估算6有關抗風的其它問題61 主梁渦激振62 主塔風振及制振措施63 斜拉索的風振及制振措施7結構的抗震分析1采用的規(guī)范及參考依據11中華人民共和國交通部部標準公路橋涵設計通用規(guī)范（JTJ021-89）12中華人民共和國交通部部標準公路工程抗震設計規(guī)范（JTJ004-89）13公路橋梁抗風設計指南，人民交通出版社，1996年14中華人民共和國行業(yè)標準公路斜拉橋設計規(guī)范（試行）（JTJ027-96）15日本

10、道路協(xié)會道路橋耐風設計便覽，19912設計基本風速、設計基準風速和主梁顫振檢驗風速的確定21設計基本風速由參考依據1.1中的全國基本風壓分布圖查知：橋址區(qū)距離空曠地面以上20米高，100年一遇的10分鐘平均最大風速所對應的基本風壓為600Pa，擬建的無錫蓉湖大橋主跨為145m的斜拉橋，其設計基準期為100年，因此，設計基本風速應取為離空曠地面以上10米高，100年一遇的10分鐘平均最大風速，即為25.9m/s。22 設計基準風速由參考依據1.3可知，在成橋運營狀態(tài)下，主梁設計基準風速VD（梁）=K1·V10=21.5m/s主塔設計基準風速VD（塔）= K1·V10=29.8

11、m/s對于施工階段，梁塔的設計基準風速可考慮取10年重現期的風速，主梁設計基準風速VD（梁施工）=0.84 VD（梁）=18.1m/s主塔設計基準風速VD（塔施工）=0.84 VD（塔）=25.0m/s23主梁顫振檢驗風速的確定由參考依據1.3知，主梁顫振檢驗風速由下式確定Vcr=K·f·VD（梁）式中：K考慮風洞試驗誤差及設計、施工中不確定因素的綜合安全系數，K=1.2f考慮風速的脈動影響及水平相關特性的無量鋼修正系數，故，成橋運營狀態(tài)下主梁顫振檢驗風速Vcr=36.1m/s，對于施工階段，主梁顫振檢驗風速V=0.84Vcr=30.3m/s3抗震設防標準的確定對于斜拉橋的

12、抗震設防，首先是要確定一個安全經濟合理的抗震設防標準，根據該橋橋址區(qū)的地震環(huán)境，近場區(qū)的斷裂情況，以及橋址區(qū)的地震地質條件，結合本橋是城市橋梁，為生命線工程，按中華人民共和國防震減災法第十七條的規(guī)定，本工程須進行地震安全性評價，但目前未給出場地地震安全性評價在不同超越概率下的基巖加速度峰值PGA和基巖水平地震系數Kh，因此，本分析報告的抗震設防標準暫按下述方法進行。國家標準中國地震動參數區(qū)劃圖（GB18306-2001）已于2001年2月2日由國家質量技術監(jiān)督局發(fā)布，并于2001年8月1日正式實施。由中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖查得無錫市的地震動峰值加速度為0.05g；由中國地震動反應譜特征周期

13、區(qū)劃圖查得無錫市的地震動反應譜特征周期為0.35秒。由參考依據經計算得出，大橋場地類別為類。綜上所述，本橋抗震計算?。壕唧w設計計算取地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.30秒，檢算結構物的強度；取地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.30秒，檢算結構物的位移；場地類別為類，反應譜特征周期為0.3秒。4結構動力特性分析41計算圖式該橋的動力特性分析采用空間結構計算圖式，空間結構計算圖式見圖1。42邊界條件本橋成橋狀態(tài)結構各部位邊界條件如下（見表二）表二 成橋狀態(tài)結構各部位邊界條件結構部位成橋狀態(tài)xyzxyz主塔基礎在承臺頂處111111塔梁交接處111111

14、邊墩、輔助墩在承臺頂處111111邊墩、輔助墩與梁交接處011100上表中，x、y、z分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向的線位移，x、y、z分別表示繞縱橋向、橫橋向、豎橋向的轉角位移。1-約束，0-放松。 43動力特性分析成橋狀態(tài)的振型主要特點見表三，其相應的振型圖見圖2，從振型圖來看：（1） 邊墩、輔助墩對主梁的橫向和豎向振動的制約作用比較明顯，這對結構抗風是有利的。（2） 與結構抗風穩(wěn)定性有關的振型是以梁的振動為主的振型，其中與主梁豎向抖振有關的振型是N0.2振型；與主梁自激振動有關的振型是N0.2振型和N0.3振型，扭彎頻率比=2.22?？傊?，由于該橋主跨不大，主梁為箱梁，扭轉剛度較大，橋

15、面較寬較重，且在結構體系中采取了合理的布置，使主梁仍具有較高的扭轉自振頻率和扭彎頻率比，同時，主梁采用扁平（寬高比12.5）的流線型箱梁，這些對增大顫振臨界風速，減小渦激振的振幅，減小抖振響應均是有利的。同時，也使對結構控制截面地震響應貢獻最大的振型的周期都比較長，為大橋的抗震安全性提供了良好的結構動力學基礎。表三 成橋狀態(tài)動力特性No振型主要特性自振頻率f(Hz)圓頻率（r/s）自振周期T（s）1主塔側彎0.49013.07932.04042主梁豎彎0.77114.84491.29683主梁扭轉1.714010.7690.58345顫振臨界風速的估算51 橋梁顫振穩(wěn)定性指數If=，成橋狀態(tài)的

16、顫振穩(wěn)定性指數及分級見表四。表四 顫振穩(wěn)定性指數及分級工況If分級抗風穩(wěn)定性成橋狀態(tài)0.60十分安全52 顫振臨界風速的估算521 彎扭耦合顫振對彎扭耦合顫振，其臨界風速根據工程界普遍應用的Van der put公式進行估算。式中：為主梁斷面形狀影響系數，為攻角效應系數，b為半橋寬，r為慣性半徑，為扭彎頻率比；為梁體質量與空氣的密度比；為基階豎彎自振圓頻率。計算結果見表五。522 分離流扭轉顫振分離流扭轉顫振的臨界風速由Herzog公式估算式中：為Theodorson Number的倒數，B為全橋寬，fT為主梁扭轉基頻。計算結果見表五。表五 顫振臨界風速估算表工況r(m)b(m)h(r/s)f

17、T(Hz)sTh-1Vcr1(m/s)Vcr2(m/s)Vcr(m/s)成橋狀態(tài)23.38.8417.52.224.8451.7140.56.025435936.1本橋的主梁斷面的寬高比=12.5，屬扁平流線型斷面，因此，若發(fā)生顫振則會是彎扭耦合顫振，從表五中也可以看出，>，主梁表現為扁平的流線型斷面的特性。從以上分析可以看出，雖然主塔比較高，且為獨柱塔，單索面，但由于主跨不大，主梁為箱梁，橋面較寬，因此，成橋狀態(tài)的主梁顫振臨界風速均遠超過主梁顫振檢驗風速，從抗風安全性角度看，均滿足參考依據1.3的有關規(guī)定。6有關抗風的其它問題61 主梁的渦激振雖然主梁為扁平流線型斷面，但風流經主梁時產

18、生分離，由此在主梁頂面和底面誘導出不對稱脫落的旋渦，使主梁頂面和底面出現交替變化的正負壓力，由此誘發(fā)主梁的橫向振動，即渦激振動。 （1）豎向渦激共振發(fā)生風速： 53.9m/s （2）扭轉渦激共振發(fā)生風速： 79.8m/s在橋址區(qū)，產生10m/s左右的5級風是經常的，但產生53.9m/s以上的臺風極少，因而主梁發(fā)生豎向渦激共振和發(fā)生扭轉渦激共振的概率幾乎不存在。62 主塔的風振及制振措施本橋塔高自承臺以上達81.40米，塔的側向剛度，縱向剛度均較小，獨塔自立狀態(tài)下可能發(fā)生的風振現象有：馳振、渦激共振。根據國內外大跨度斜拉橋的實踐經驗，對于不同的風振現象均有相應的對策。對于馳振現象，結構是否可能發(fā)

19、生馳振，主要取決于結構橫截面的外形，本橋主塔采用圓形截面，一般情況下，不具備產生馳振的條件，必要時采用如下的制振措施：（1） 在塔頂安裝調質阻尼器（TMD）來提高結構阻尼比，從而達到提高其臨界風速。（2）加大結構的剛度，提高彎曲基頻fb。對于渦激共振現象，可結合風洞試驗對獨塔的渦激共振現象加以研究，必要時采取如下的制振措施：（1）安裝TMD以提高阻尼比。（2）在塔頂處張拉臨時纜索（施工階段）。63 斜索的風振及制振措施本橋主塔較高（81.4m）、但跨不大（145m）、索較長，斜拉索的風致振動有渦激振、馳振、尾流馳振、抖振、風雨振，各種風振現象及制振措施見表六。表六 各種風振現象及制振措施風振類

20、型風振現象制振措施渦激振當斜索的渦頻與拉索某一階的橫向振動頻率相一致時會發(fā)生渦激共振。渦激振發(fā)振風速較大，產生渦激振的概率很小。 馳振僅當圓截面斜索表面裹冰以后才會發(fā)生，不過關于單根斜索發(fā)生強烈馳振的報告尚不多見。無尾流馳振本橋為單索面，且為雙根索，存在發(fā)生尾流馳振的可能性。在拉索與主梁交接處附近安裝油壓阻尼器或粘性剪切型阻尼器。抖振因斜索迎風面不大，斜索的自振頻率一般在脈動風能量較小的頻率范圍，故抖振不大。無風雨振在一定來流風速和風向條件下，有可能發(fā)生大振幅的風雨振。在拉索與主梁交接處附近安裝油壓阻尼器或粘性剪切型阻尼器。7結構的抗震分析71 結構的抗震計算對獨塔斜拉橋的抗震分析，首先應從斜

21、拉橋抗震結構體系入手，從抗震設計的角度來看，獨塔斜拉橋的塔梁交接處的縱向約束條件可分成三類：（1）塔梁放松（塔與梁之間設滑動鉸支座）。（2）塔梁約束（塔梁固結或塔與梁之間設固定鉸支座）。（3）塔梁彈性約束（塔與梁之間除設滑動鉸支座外，還增設縱向彈性約束裝置或構件）。本方案采用（2）類, 塔梁之間約束。斜拉橋的地震響應一般采用反應譜法和時程分析法相互校核，但由于目前未得到場地地震加速度時程，因而時程分析法無法進行。橋梁結構地震響應采用反應譜理論進行，反應譜采用公路工程抗震設計規(guī)范（JTJ004-89）中類場地的動力放大系數。0T0.1s0.1T0.3s0.3T2.343sT2.343s= 中震時

22、，水平地震系數Kh=0.10，豎向地震系數Kv=0.067，并考慮兩種組合：水平縱向0.10g + 豎直向0.067g水平橫向0.10g + 豎直向0.067g大震時，水平地震系數Kh=0.15，豎向地震系數Kv=0.10，并考慮兩種組合：水平縱向0.15g + 豎直向0.10g水平橫向0.15g + 豎直向0.10g在地震響應分析中，取前50階反應組合，組合方法采用SRSS法，結構各主要部位的地震響應見表七，經驗算,結構各部位的地震響應均在設計允許的范圍內，均不控制結構設計。72 結構的抗震措施抗震設計包括抗震計算設計和抗震概念設計，本橋除了上述抗震計算設計外，還應重視抗震概念設計，即包括：正確的場地選擇，合理的結構造型和布置以及