论文总字数：58080字

摘 要

本文重点阐述了近现代以来斜交桥梁的发展历程和世界各国研究成果，梳理了斜交桥研究进展的各个时间节点。然后，笔者针对斜交桥的抗震性能作出了重点分析，主要介绍了多普振型分析法以及时程分析法，论述这两种方法应在何种情况下使用，最后举出了某一具体工程来进一步说明。此外，笔者还略施笔墨介绍了斜交的易损性研究和限位措施的应用。在第二章内容当中，我们主要探索了斜交桥的地震位移响应的相关内容，此章分为斜交钢筋混凝土箱梁桥的地震反应，双向近断层地震动作用下斜交公路桥梁的非线性地震反应，钢筋混凝土弹性支承多跨斜交桥简化线性动力分析，简化线性动态评价对在钢增强弹性轴承的基础上多塔斜拉桥的分析，此章均为较新的研究成果，具有重大的参考价值。在第三章中，我尝试着运用有限元相关软件在梁格法的基础之上对斜交桥的简化方法进行了简短测试与对比，精细分析了不同斜交角对不同梁格法的形式的选择的影响。本文行文简洁明快，内涵丰富，由于世界各国对于斜交桥的研究于应用都停留在初期阶段，因此本文也仅仅是粗浅的论述。

关键词：斜交桥 历史进程 地震响应 简化方法 有限元

ABSTRACT

This paper focuses on the development history of skew bridges in the near modern times and the research results of various countries in the world. Then, the author focuses on the analysis of the aseismic performance of the skew bridge, mainly introduces the multiple universal vibration model and the time history analysis method, and discusses the two methods which should be used in the case. Finally, a specific project is given to further explain. In addition, the author also introduces the oblique research on the brittleness and the application of limit measures. In the second chapter, we mainly explore the related content of the seismic displacement response of the skew bridge. This chapter is divided into the seismic response of the skew reinforced concrete box girder bridge, the nonlinear seismic response of the skew highway bridge under the action of bi-directional near fault ground motion, and the simplified linear dynamic component of the reinforced concrete elastic supported multi span skew bridge. The analysis of simplified linear dynamic evaluation on multi tower cable-stayed bridges based on steel reinforced elastic bearings is of great reference value to the new research results of Zhang Junwei. In the third chapter, I try to use the finite element software to test and compare the simplified method of the skew bridge on the basis of the beam grid method, and analyze the influence of different oblique angles on the selection of the form of different beam grid methods. This article is concise and lively and rich in connotation, because the research on Skew Bridge in the world is still in the initial stage, so this article is only a shallow discussion.

Key words: skew bridge, historical process, seismic response, simplified method, finite element method

目 录

摘 要 三

ABSTRACT 三

第一章 总结中外近年来公路桥梁斜交桥方面的发展与成就 七

1．1 斜交桥的简要介绍和说明 七

1．1．1斜交桥的定义 七

1．1．2斜交桥抗震分析的重要性 七

1．2斜交桥的实际案例数据分析 八

1．2．1某一斜交桥梁的状况简介 八

1．2．2斜交桥的地震响应分析 九

1．2．3桥梁主体端部的后靠土体的静止土压力造成的影响 九

1．2．4桥梁的中心轴在越过桥梁下面的车辆的轴线的夹角的影响 九

1．2．5地震作用下的理想模型建立 十

1．2．6多自由度体系振型分析 十

1．2．7小结 十一

1．3斜交单框混凝土箱梁桥的易损性分析 十一

1．3．1斜交桥的特性与分析模型和单框混凝土箱梁桥的子类和设计细节 十二

1．3．2不确定性和地面运动特性的处理 十三

1．3．3概率地震需求模型和容量极限状态 十四

1．3．4斜交桥易损性分析的相关实验 十五

1．3．5 斜交角对系统易损性曲线的影响 十六

1．3．6斜角修正系数 十六

1．4斜交桥梁地震期间碰撞问题 十七

1．5本章小结 十八

1．5．1结论 十八

1．5．2 斜交桥的发展趋势 十九

第二章 斜交桥的地震响应研究 二十

2．1斜交钢筋混凝土箱梁桥的地震反应 二十

2．1．1：简要介绍 二十

2．1．2基准桥 二十一

2．1．3.桥梁模型 二十一

2．1．4偏斜公路桥梁分析 二十三

2．1．5.小结 二十七

2．2双向近断层地震动作用下斜交公路桥梁的非线性地震反应 二十八

2．2．1斜交桥的三维建模 三十

2．2．2基准桥梁 三十二

2．2．3非线性地震反应分析 三十三

2．2．4参数分析 三十三

2．2．5小结 三十七

2．3钢筋混凝土弹性支承多跨斜交桥简化线性动力分析 三十七

2．3．1测试结构与仪器 三十八

2．3．2有限元建模 四十二

2．3．3弹性支承边界条件 四十二

2．3．4美国国家性的公路运输管理委员会规定的桥梁设计 四十三

2．3．5澳大利亚标准 四十四

2．3．6 56号线桥的应用 四十四

2．3．7模态参数估计 四十五

2．3．8轴承剪切模量的影响 四十六

2．4简化线性动态评价对在钢增强弹性轴承的基础上多塔斜拉桥的分析 四十八

2．4．1斜交夹层桥梁上部结构 四十九

2．4．2斜层板 四十九

第三章 在梁格法的基础上对于斜交式桥梁的有限元计算 五十

3．1梁格法的应用价值 五十

3．2 梁格法的相关介绍 五十

3．2. 1 综述 五十

3．2. 2 竖向主梁的抵抗弯矩的能力 五十二

3．2. 3 横向的梁格法斜交桥抵抗弯矩的能力 ( 参考下图 2) 五十二

3．2. 4 纵向主梁、横向主梁的抵抗扭矩的研究 五十三

3．3 实际现场论证 五十三

3．4 构建有限元的结构 五十四

3．4. 1 使用钢筋和混凝土的主要性能 五十四

3．4. 2 加强应力与荷载 五十四

3．4. 3 假设斜交桥结构 五十四

3．5 有限元模拟结论 五十五

3．5. 1 支座荷载研究结论 五十五

3．5. 2斜交桥的侧向偏移比较结果 五十五

3．5. 3 内部荷载比较研究 五十六

第四章 成果与展望 五十九

致 谢 六十一

参考文献 六十二

第一章 总结中外近年来公路桥梁斜交桥方面的发展与成就

1．1 斜交桥的简要介绍和说明

1．1．1斜交桥的定义

斜交桥主要的形式为桥梁的纵轴线和它所跨过的水流的方向或道路的方向并不垂直的桥梁。通常出现在两条及以上的高速公路的交点位置。在建造城市当中桥梁隧道的过程之中, 通常会以斜交桥为主来避免因为周边的地理地质交通环境产生的负面影响, 同时在此类情况下被予以考虑的还有弯桥, 和轴线与路线垂直的桥梁相比，斜桥弯桥具有更优越的性能，在未来有望得到更加充分而广泛的利用。

在目前新时代中国特色社会主义现代化建设形势一片大好的今天，我国的交通建设与人民群众日益增长的生活需求存在着滞后的现象，目前我国大部分桥梁的伸缩缝面临着老化和破坏的危险。在这一机遇与挑战并存的特殊的历史时期之下，无缝桥梁的概念在此时应运而生，这一新概念对于控制桥隧建设和施工的经费具有重大意义。在施工的具体案例中，由于地势地貌等的局限性，工作人员不得不将桥梁轴线和桥墩之间略微倾斜形成一个夹角。因此半整体式的斜交桥梁的出现使得施工技术实现了重大的历史性飞跃，摒弃了伸缩缝的形式，同时也实现了对公路方向和桥梁建设的完美结合，为我国的基础设施建设翻开了新的一页。但是，斜交桥的质量中心和弯曲中心往往并不为同一点，尤其是以半整体式斜交桥为甚，在地震发生时，随着弯曲半径增加，斜交桥的动力响应也会随之增加。较为明显的耦合作用在整体空间较为广阔时极易发生在斜交桥的主体结构之上，同时在桥梁的端部经常会非线性位移和强烈的桥体扭转，并且由于弯曲中心距离桥梁两端相对较远，因此一旦桥梁主体发生微小的波动，在桥梁的两端就会出现较大的位移，即使出现桥梁大幅度大面积的垮塌和桥梁和桥墩的撞击也不足为怪。斜交桥相对于直板桥，它的结构性能，动力响应以及抵抗地质作用和地震的能力有喜人的提升。而采用半整体式结构以后，类似的性能又有了质的飞跃，在面对地震的作用时，桥梁的建设与维护有了较多选择，也使得我国未来斜交桥建设前景愈发光明。综上所述，斜交桥的开发与建设对于桥梁学科的发展和基础建设事业的腾飞意义重大，而且半整体结构的广泛应用，对此又是又一次推动。

1．1．2斜交桥抗震分析的重要性

随着时代的进步，世界各国科技人员都对桥梁的结构动力响应和抗震性能的研究投入了巨大精力，而且进展令全人类为之瞩目，但是针对斜交式桥梁的理论建设却相对滞后，而半整体式结构的研究更是处于初级阶段。在参考了世界各国的公路桥涵设计标准和规范后我们发现，在斜交桥方面的规定极其简陋，到目前为止依然以理论研究为主，对于计算方法尤其是简化计算的进程明显跟不上时代的需要。参考美国的设计标准我们发现：多振型反应谱法比较适合用来计算半整体式的结构。同时时程分析法也同样适用于斜板桥结构。在采用第一种分析方法即多普法时，需要计算的振型的数量应该超过桥跨的数量的3倍。美国得克萨斯州的一种规范要求：斜交式的桥梁必须采用动态设计法。澳大利亚的相关桥梁的设计规范中要求：斜交式桥梁必须进行严格的动态设计法。同时参考来自欧盟各国的设计准则中提到：考虑到斜交式桥梁的具体要求，必须对其采用振型叠加的办法进行抗震响应分析，而且参考承载能力极限状态和正常使用极限状态进行严格精确的荷载设计。而在中国，现在的桥梁设计规范将桥梁的抗震等级分为A,B,C,D四大类别，具体来说，A型桥梁的主要跨径一般要超过150米，即我们所指的超大桥梁；B型桥梁一般为高等级公路如高速公路上A型桥梁以外的桥梁，还包括第二等级公路上的规模较大的桥梁；C型桥梁为其他三大类以外的桥梁，种类繁多；D型桥梁是在第3级第4级公路上的规模较小的桥梁。这一标准把桥梁的中心轴在越过桥梁下面的车辆的轴线的夹角低于20°的斜交桥规定为规则桥梁，并且按照规则桥梁对应的标准进行设计，将桥梁的中心轴在越过桥梁下面的车辆的轴线的夹角不低于20°的斜交桥指定为非规则桥。但是中国关于公路铁路的抗震相关设计要求并未对斜交桥方面的地震响应规范作出任何的标准和要求。在制定常规或直线公路桥梁的静态和动态分析的设计规范和指南方面取得了许多进展。但是，对于偏斜公路桥梁的结构系统响应仍存在很大的不确定性，因为在目前的准则下缺乏详细的程序。事实上，正如过去的地震事件所证明的那样，倾斜的公路桥尤其容易因地震载荷而遭受严重破坏。尽管在过去的三十年中进行了许多研究，以研究在静态和动态载荷作用下倾斜公路桥梁的响应特性，但研究结果还不够全面的来解决全球性的问题。由于目前的抗震设计指南没有提供明确的程序，大量的桥梁处于风险之中，从而对功能丧失，生命安全和经济造成威胁。许多现有的桥梁可能容易受到地震诱发的损坏，并且可能需要大量的改造措施来达到预期的抗震性能和抗震后的可服务性。研究人员和实践设计工程师需要充分理解偏斜公路桥梁的整体系统响应特性，适当详细说明系统组件。为了深入调查研究半整体式斜交桥梁关于地震方面的响应特点，我们参考了湖北省黄石市的一座桥梁的设计背景，通过有限元分析法建立了关于半整体式斜交桥的相关模型，对于这种类型的桥梁的抗震相关参数和结构性能做了深入分析，并且采用了振型叠加法和动态设计法对斜交桥的结构位移响应仔细研究，最后将两种方法的计算结果充分比较得出了一些结论。

1．2斜交桥的实际案例数据分析

1．2．1某一斜交桥梁的状况简介

湖北省黄石市的某座桥梁为半整体式桥台无缝化斜交桥，这座桥梁总长度为128米，设计时的理想跨径限定为8×16米，桥梁的中心轴在越过桥梁下面的车辆的轴线的夹角为30°一般认为，倾斜角大于30度的桥梁在地震荷载作用下表现出复杂的响应特性。一些研究调查了斜交角对公路桥反应的影响。萨迪和奥尼尔（1991）指出了歪斜效应，并提出简化的模型和分析方法可以对倾斜角小于15度的桥梁进行足够精确的地震响应预测。另一方面，马内机（2002）得出的结论是，倾斜角度高达30度，跨度达65英尺的板上梁桥具有与直桥类似的响应特性，因此，简化的建模技术，如刚性主梁建模，可以在许多情况下使用。波尔加尼森等人（1997）进行了一个广泛的参数研究，模拟了刚性桥面假设下的双跨度斜桥。在这项研究中，最大相对桥台位移（MRAD）被认为是与失效相关的关键数量。发现最大相对桥台位移受主梁和基台之间的强烈影响。由于撞击引起的旋转冲击，作为跨度长度和宽度的函数的临界歪斜角度被引入并最大化，并发现其在45和60度之间。这座斜交桥的桥跨结构运用了先张法预应力施工技术所制成的空心板，桥梁的体系先是简支结构，然后为连续结构，同时它的下部结构是桩柱式桥墩，桥梁的下拱能够适应洪水排放的要求。桥台的后面采用水泥来满足小石子的地基的稳定。根据相关有限元分析软件帕特蓝/兰斯特坦建立的不考虑桥台后的静止土压力作用同时桥梁的中心轴在越过桥梁下面的车辆的轴线的夹角为30°的桥梁整体动力响应分析计算模型，该桥梁的模型一共包括1296个节点以及1385个单元，而桥梁的单元种类都是梁单元。整个桥梁采用的混凝土等级为C30，混凝土抗压强度的标准值为20.1N/mm²，设计值为14.3N/mm²，而它的弹性模量为30MPa，泊松比是0.2，采取的钢筋为HRB335，该钢筋是20MnSi(20锰硅)，并且钢筋的抗拉强度和抗压设计强度均为300MPa，为了探索桥梁中轴线跨过桥下交通物的轴线之间的交角在地震的作用下对桥梁主体的工作性能的影响，对于内部空心的桥梁主体、长方形盖梁和长筒式的桥台基本运用了梁格法实现了计算与分析。桥梁主体的后靠土体稳定性通过使用塑性的支撑实现了理想化，主要参数参考了我国公路桥涵设计规范的相关内容严格设计。同时我们的设计还要考虑二次荷载的影响，主要为人群荷载和车辆荷载等等。

1．2．2斜交桥的地震响应分析

桥梁关于地震作用的响应是相关工作的基础，所以大致上分别从后靠土体的稳定性，不同的桥梁中轴线跨过桥下交通物的轴线之间的交角，还有不同的桥台桥墩和支撑等角度建立起有限元模型，分析得出他们的关于地震的动力响应，探究出他们的结构性能。

1．2．3桥梁主体端部的后靠土体的静止土压力造成的影响

相关调查发现参考了桥梁主体端部桥台后靠土体静止土压力作用的自振频率的极小值比不参考这一种情况的自振频率的极小值大6．2%，由于刚度和自振频率当中存在着二次方关系，所以我们得出桥梁主体端部桥台后靠土体静止土压力作用后的结 构 整 体 刚 度 增 大38.44%，增加的幅度较为明显。两个有限元模型的前15阶振型中，每个质点的质量和它在某一振型中对应的坐标的乘积的总和与这一振型的主体质量（也可以说是模态质量）的比值的结果分别为：参考了桥梁主体端部桥台后靠土体静止土压力作用的纵向为86．09%，横向为81．75%；不参考桥梁主体端部桥台后靠土体静止土压力作用的纵向为85．04%，横向为81．03%。我们可以得出结论，阶数较高的振型对两个模型的影响都非常大。这两类的第一个振型都出现了纵向偏移的现象，可以认为斜交桥的竖向刚度很差，同时我们比较这两种情况的一阶模态得出结论，桥梁主体端部桥台后靠土体静止土压力作用对于主梁的纵向偏移能够起到一定的限制作用。这两种情况的5,6阶振型都出现了横向弯曲的情况，可见桥梁主体的横向抵抗弯矩的能力较差，所以研究过程中在进行这一类桥梁的这些部位的抗弯抗扭设计时应充分考虑这些情况，保证工程质量和安全性。

1．2．4桥梁的中心轴在越过桥梁下面的车辆的轴线的夹角的影响

为了研究出不同的夹角对半整体式斜交桥的对地震响应影响，我们设计出了0°，20°，40°，60°，80°五种不同角度的斜交桥模型。不一样的夹角的相同的斜交桥模型会造成桥梁整个质量的差别。为了控制变量从而控制不同的质量对于斜交桥的夹角的数据分析的影响，把0°，20°，40°，60°，80°模型采用改变某些零部件密度的方法从而让五个模型都达到40°模型的理想质量。通过比较一阶模态能够看出，斜交桥纵向偏移的程度与斜交角成正比例关系，可以得出斜交角越大斜交桥的纵向稳定性会出问题；与此同时，比较了周期的数值我们发现，前面三阶自振周期与斜交角成正比例关系，证明桥梁主体端部桥台后靠土体静止土压力作用与斜交角的成反比例关系。

1．2．5地震作用下的理想模型建立

在评估和比较各种分析研究的结果时，必须考虑在偏斜公路桥梁的分析处理中实施的基本假设和理想化。这些可能涉及材料建模，非弹性（滞后）组件的响应特性以及边界条件，土体 - 结构相互作用，构件几何形状（即理想化梁 - 完全有限元），上部结构（即刚性 - 柔性），地震质量（即分布式与集总式）等。例如，猛和雷（2000）认为正确建模边界条件的影响可能超过倾斜角对桥梁整体动力响应特性的影响。事实上，假设上的差异可能会导致结果不一致，比如根据福特希尔·保勒瓦尔德的分析我们发现在圣费尔南多地震中遭受严重破坏的下的斜交桥就与上述结论不符。维克菲尔德等人进行了一项研究，他的结论是，失败是由刚体运动控制的，这与马拉加吉斯（1984）进行的一项先前研究一致。但是， 吉和巴拉菲和特松（1974）进行的一项研究表明，失效是由弯曲和扭转运动引起的。吉和巴拉菲和特松（1974）假定主梁固定在基台，而维克菲尔德等人（1991）假设桥面在桥台处有自由平移。对于本研究，选择了一座基准桥，并研究了各种参数与斜交角相互作用的影响。此外，还测试了使用简化光束（BS）模型和推覆分析方法的可行性以及有限元方法和时程分析法是否有效。

1．2．6多自由度体系振型分析

研究分析了湖北黄石的地质条件和工程环境以后，该桥梁主体的阻尼比设定为0．05，斜交桥的种类是 C类，这一地区的地震周期为0．35s，桥梁附近的场地土类型为1类，抗震烈度为七度，最高点的重力加速度设置为0.05，加速度的设定以相关图像来决定。振型的组合方法运用的是平方和开平方根法。另一方面，由于这一类别的桥梁的外形不规则，所以在输入振动的相关数值时难度较大。世界各国专家们对于形状不规律的斜交桥的最劣的振动方向的探索成果显著。通过分析有限元模型的计算结果我们得知：当振动方向的输入沿着X向时，由于已知的侧向位移的这一质点上的弹性回复力不仅由这一个质点上的侧向位移来决定，另外还和其他质点的偏移有关，因此造成了这个方向上很高的底部剪力Fx和对应的平面弯矩 My，还会出现很低的底部剪力Fy和对应的平面弯矩 Mx。振动方向沿着y向的时候也出现了相似的现象。振动方向为x向的底部剪力的峰值为50kN，平面弯矩的峰值是129kN·m；振动方向为y向的底部剪力的峰值为59kN，平面弯矩的峰值是181kN·m。比较两个方向的应力能看出，这一类斜交桥的地震作用，y向的弯矩抵抗能力设计和底部剪力结构设计比X向更高水平，特别是 5，6号桥台的应力最高。振动方向沿着X向时出现的底部位移全部比Y向出现的底部位移大。当夹角不同时，通过研究X向振动方向得到的分析数据、顶部位移输出数据能够得到，X向振动摇摆时，底部剪力和平面弯矩My与斜交角先成反比再成正比，5号和6号桥台底部不出现滑移的应力大于别的桥台。沿着y向振动摇摆时我们能够以此理论来解释。x向振动摇摆时出现的顶部位移超过y向振动摇摆时的数值，同时不发生滑移的桥台的位移值最大，所以我们设计此类斜交桥的时候，必须朝着X向振动摇摆时通过运算得出的底部位移的数值进行安全的桥梁设计与计算。与此同时，位移值的峰值与斜交角先成反比再成正比。

1．2．7小结

（1）参考了桥梁主体端部桥台后靠土体静止土压力作用的半整体式斜交桥的抗弯抗剪能力增强，自振周期减小；桥梁主体端部桥台后靠土体静止土压力作用对半整体式斜交桥的约束作用和斜交角成正比例关系。

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