桥梁抗震与抗风及其影响因素分析研究
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摘要
桥梁作为交通工程中的生命线工程,随着全球地震活动的频繁和气候环境的恶化,大量的桥梁同时面临着地震和风双重荷载的考验,具备足够的能力抵御地震作用和风荷载是进行桥梁设计时不可忽略的环节。正是基于这个目的,本文从输入(外激励)、系统(结构)、输出(响应)及其影响因素比较了桥梁抗震与抗风的区别和联系,以斜拉桥为例深入分析了斜拉桥地震响应和风振响应的特点,精细化分析比较了影响斜拉桥抗震和抗风性能的因素,探讨了在斜拉桥结构设计和制振措施选择中抗震和抗风关系的平衡,为今后桥梁抗震和抗风设计提供相关依据。
本文首先回顾了桥梁抗震与抗风的发展历史、研究现状和热点问题。以往斜拉桥抗震或斜拉桥抗风的研究已经相当深入,但是作为动力荷载的地震和风对桥梁结构的影响有何差异和相似之处却不曾进行专门研究过。
从荷载输入的角度出发,研究了地震和风的形成原因、存在方式、影响地震和风特性的因素,对比了两种输入之间的区别和联系。从能量的角度出发,研究了地震和风荷载能量分布特点,得出了地震和风卓越频率的分布范围,地震的卓越频率多大于1.0赫兹,而风荷载的卓越频率多小于0.1赫兹。
结构在地震和风荷载作用下的振动特点不仅与荷载本身有关,还与结构本身的振动特性有关,结合地震和风卓越频率范围的不同,分析了不同桥型的振动特性及其对地震和风的敏感性,研究了影响结构振动特性的因素对结构振动特性的敏感性,给出了避免结构与地震或者风荷载产生共振时调整结构参数的最佳方式,分析表明：对于抗风而言,采用改变结构刚度的方法比改变结构质量更加有效,对于抗震而言,采用改变结构质量的方法则更加有效。
以过往抗震与抗风研究为基础,以地震作用和风荷载特性、结构振动特性的研究为依据,从设防要求、理论基础、计算方法、结构响应及制振措施等方面比较了桥梁抗震与桥梁抗风之间的区别和联系。
根据不同桥型对地震和风荷载的敏感性分析结论,斜拉桥抗震和抗风特点相对复杂,以象山港大桥为例,精细化分析了结构体系、桩-土作用对斜拉桥地震响应和风振响应的影响,首次提出并分析了桩—土作用对斜拉桥抗风性能的影响,分析表明：结构体系和桩-土作用对斜拉桥地震响应和风振响应的影响不同,桩-土作用对大跨度斜拉桥抗风性能的影响不容忽视。
最后,针对如何进行合理的结构设计和制振措施选择,使斜拉桥抗震性能和抗风性能都得到满足的问题,以实桥为例,探讨了桥梁结构设计中抗震和抗风之间的关系,并在制振措施的选择中,研究了改变输入和改变结构自身两种制振措施在桥梁抗震与抗风中的应用特点,重点研究了在进行结构抗震(抗风)设计时,如何选择避免结构的抗风(抗震)性能不受影响,采用数值分析和风洞试验的方法,证明了气动措施在平衡抗震性能和抗风性能中的优越性和有效性。
On the background of the increasing of strong earthquake and wind hazard, more and more bridges are faced with both tribulations of wind and earthquake. It is very important that the bridge as one of the most important traffic engineering should be able to resist the earthquake and wind. The dissertation analyzed the difference and conference between the bridge's seismic and wind resistance from the input, system and output based on the cable bridge, deeply analyzed the character of earthquake response and wind response, carefully studied the affecting factors of the ability of seismic and wind resistance, discussed the connection of seismic and wind resistance in the respect of structure design and anti-vibration measure.
The dissertation firstly reviewed the bridge's seismic resistance and wind resistance development history, research condition and hot problem. In the past, the research on the seismic resistance or wind resistance is going to be completed, while both as the dynamic load, the effect of the earthquake and wind on the bridge has never been studied.
From the input perspective, the second chapter researched and compared the character of earthquake and wind such as formation, existing way and their affecting factors. From the point of energy, the chapter analyzed and compared the energy distribution of the earthquake and wind, the result dictated that the dominating frequency of the earthquake is much higher than1.0Hz, while that of the wind is less than0.1Hz.
The libration character of the structure has relationship not only with the load but also the structure itself. Connecting with the dominating frequency of the earthquake and the wind, the third chapter analyzed and discussed the sensitivity of different type of bridge to earthquake and wind, compared the sensitivity of the factors which affect the libration character, the result dictated that the mass and the rigid are not the same sensitive to the ability of seismic and wind resistance. In order to aviod the resonance under the earthquake, changing the mass is more effective, while for the wind, changing the rigid is more effective.
Based on the research on the bridge's seismic resistance and wind resistance in the past, according to the study on the character of the earthquake and the wind and the analysis on the structure's vibration character, the fourth chapter compared the seismic and wind resistance from the aspects of design theory, computation methods, structure response and anti-vibration measures.
According to the above analysis on the different sensitivity of various type bridges, the cable bridge's character of seismic resistance and wind resistance is more complex. Taking the Xiangshan Bay Bridge as example, analyzed and compared the bridge's seismic response and wind response, accurately researched the effect of structure system and pile-soil on the bridge's seismic and wind-resistance response, firstly studied the pile-soil effect on the bridge's response under the wind. The result dictated that the effect of structure system and pile-soil on the bridge's seismic and wind-resistance response is different, the pile-soil effect can not be ignoranced in the wind resistance of the long-span cable bridge.
Finally, considering the cable bridge's big possibility facing the earthquake and wind, how to reasonably design the structure and choose the best suitable anti-vibration measure is very important for the cable bridge. Taking the exsited bridges for example, discussed the connection of seismic resistance and wind resistance during the cable bridges'structure design, and studied how to choose the anti-vibration measures to satisfy the demand of seismic resistance and wind resistance. The aerodynamic measure is proved to be superior and effective to balance the cable bridge's seismic resistance and wind resistance by using the CFD analysis and wind tunnel test.
本文首先回顾了桥梁抗震与抗风的发展历史、研究现状和热点问题。以往斜拉桥抗震或斜拉桥抗风的研究已经相当深入,但是作为动力荷载的地震和风对桥梁结构的影响有何差异和相似之处却不曾进行专门研究过。
从荷载输入的角度出发,研究了地震和风的形成原因、存在方式、影响地震和风特性的因素,对比了两种输入之间的区别和联系。从能量的角度出发,研究了地震和风荷载能量分布特点,得出了地震和风卓越频率的分布范围,地震的卓越频率多大于1.0赫兹,而风荷载的卓越频率多小于0.1赫兹。
结构在地震和风荷载作用下的振动特点不仅与荷载本身有关,还与结构本身的振动特性有关,结合地震和风卓越频率范围的不同,分析了不同桥型的振动特性及其对地震和风的敏感性,研究了影响结构振动特性的因素对结构振动特性的敏感性,给出了避免结构与地震或者风荷载产生共振时调整结构参数的最佳方式,分析表明：对于抗风而言,采用改变结构刚度的方法比改变结构质量更加有效,对于抗震而言,采用改变结构质量的方法则更加有效。
以过往抗震与抗风研究为基础,以地震作用和风荷载特性、结构振动特性的研究为依据,从设防要求、理论基础、计算方法、结构响应及制振措施等方面比较了桥梁抗震与桥梁抗风之间的区别和联系。
根据不同桥型对地震和风荷载的敏感性分析结论,斜拉桥抗震和抗风特点相对复杂,以象山港大桥为例,精细化分析了结构体系、桩-土作用对斜拉桥地震响应和风振响应的影响,首次提出并分析了桩—土作用对斜拉桥抗风性能的影响,分析表明：结构体系和桩-土作用对斜拉桥地震响应和风振响应的影响不同,桩-土作用对大跨度斜拉桥抗风性能的影响不容忽视。
最后,针对如何进行合理的结构设计和制振措施选择,使斜拉桥抗震性能和抗风性能都得到满足的问题,以实桥为例,探讨了桥梁结构设计中抗震和抗风之间的关系,并在制振措施的选择中,研究了改变输入和改变结构自身两种制振措施在桥梁抗震与抗风中的应用特点,重点研究了在进行结构抗震(抗风)设计时,如何选择避免结构的抗风(抗震)性能不受影响,采用数值分析和风洞试验的方法,证明了气动措施在平衡抗震性能和抗风性能中的优越性和有效性。
On the background of the increasing of strong earthquake and wind hazard, more and more bridges are faced with both tribulations of wind and earthquake. It is very important that the bridge as one of the most important traffic engineering should be able to resist the earthquake and wind. The dissertation analyzed the difference and conference between the bridge's seismic and wind resistance from the input, system and output based on the cable bridge, deeply analyzed the character of earthquake response and wind response, carefully studied the affecting factors of the ability of seismic and wind resistance, discussed the connection of seismic and wind resistance in the respect of structure design and anti-vibration measure.
The dissertation firstly reviewed the bridge's seismic resistance and wind resistance development history, research condition and hot problem. In the past, the research on the seismic resistance or wind resistance is going to be completed, while both as the dynamic load, the effect of the earthquake and wind on the bridge has never been studied.
From the input perspective, the second chapter researched and compared the character of earthquake and wind such as formation, existing way and their affecting factors. From the point of energy, the chapter analyzed and compared the energy distribution of the earthquake and wind, the result dictated that the dominating frequency of the earthquake is much higher than1.0Hz, while that of the wind is less than0.1Hz.
The libration character of the structure has relationship not only with the load but also the structure itself. Connecting with the dominating frequency of the earthquake and the wind, the third chapter analyzed and discussed the sensitivity of different type of bridge to earthquake and wind, compared the sensitivity of the factors which affect the libration character, the result dictated that the mass and the rigid are not the same sensitive to the ability of seismic and wind resistance. In order to aviod the resonance under the earthquake, changing the mass is more effective, while for the wind, changing the rigid is more effective.
Based on the research on the bridge's seismic resistance and wind resistance in the past, according to the study on the character of the earthquake and the wind and the analysis on the structure's vibration character, the fourth chapter compared the seismic and wind resistance from the aspects of design theory, computation methods, structure response and anti-vibration measures.
According to the above analysis on the different sensitivity of various type bridges, the cable bridge's character of seismic resistance and wind resistance is more complex. Taking the Xiangshan Bay Bridge as example, analyzed and compared the bridge's seismic response and wind response, accurately researched the effect of structure system and pile-soil on the bridge's seismic and wind-resistance response, firstly studied the pile-soil effect on the bridge's response under the wind. The result dictated that the effect of structure system and pile-soil on the bridge's seismic and wind-resistance response is different, the pile-soil effect can not be ignoranced in the wind resistance of the long-span cable bridge.
Finally, considering the cable bridge's big possibility facing the earthquake and wind, how to reasonably design the structure and choose the best suitable anti-vibration measure is very important for the cable bridge. Taking the exsited bridges for example, discussed the connection of seismic resistance and wind resistance during the cable bridges'structure design, and studied how to choose the anti-vibration measures to satisfy the demand of seismic resistance and wind resistance. The aerodynamic measure is proved to be superior and effective to balance the cable bridge's seismic resistance and wind resistance by using the CFD analysis and wind tunnel test.
引文
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