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超大跨悬索桥的长周期设计反应谱研究

周敉,  李志烜,  冯鹏飞

周敉, 李志烜, 冯鹏飞. 超大跨悬索桥的长周期设计反应谱研究[J]. 交通运输工程学报, 2025, 25(3): 144-159. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.03.009
引用本文: 周敉, 李志烜, 冯鹏飞. 超大跨悬索桥的长周期设计反应谱研究[J]. 交通运输工程学报, 2025, 25(3): 144-159. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.03.009
ZHOU Mi, LI Zhi-xuan, FENG Peng-fei. Long-period design response spectrum study of ultra-long-span suspension bridges[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2025, 25(3): 144-159. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.03.009
Citation: ZHOU Mi, LI Zhi-xuan, FENG Peng-fei. Long-period design response spectrum study of ultra-long-span suspension bridges[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2025, 25(3): 144-159. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.03.009

超大跨悬索桥的长周期设计反应谱研究

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.03.009
基金项目: 

国家重点研发计划 2021YFB1600300

国家自然科学基金项目 51978062

;中央高校基本科研业务费专项资金项目 300102212209

详细信息
    作者简介:

    周敉(1977-),男,陕西商洛人,长安大学教授,工学博士,从事桥梁抗震及桥梁智能建造研究

    通讯作者:

    ZHOU Mi (1977-), male, professor, PhD, zhoumi@gfscw.cn

  • 中图分类号: U442.5

Long-period design response spectrum study of ultra-long-span suspension bridges

Funds: 

National Key R&D Program of China 2021YFB1600300

National Natural Science Foundation of China 51978062

Fundamental Research Funds for the Central Universities 300102212209

Article Text (Baidu Translation)
  • 摘要: 为了建立适用于超大跨悬索桥抗震设计的长周期设计反应谱,从中国、日本和美国的强震数据库中收集了17 574条实测地震动记录,通过对收集的地震动进行校正、滤波和频谱特性分析,提出了界定常规地震动与长周期地震动的标准和方法,并以此方法筛选出了1 084条长周期地震动;采用一种“四段式”的标准化反应谱数学模型来拟合长周期地震动的平均谱,通过遗传算法对模型参数进行标定,建立了不同工程场地的长周期设计反应谱;以一主跨为2 300 m的超大跨悬索桥为依托工程,通过分析分别由安评反应谱和长周期设计反应谱引起的结构响应,来验证所提出的长周期设计反应谱的合理性。研究结果表明:加速度反应谱周期在0.02~10.00 s范围内的平均周期大于或等于1.5 s和傅里叶谱的主频成分小于1 Hz可作为界定常规地震动和长周期地震动的2个重要标准;相对于规范反应谱,提出的长周期设计反应谱可以更全面地考虑长周期地震动的影响;E1地震作用下,长周期设计反应谱与安评反应谱引起的依托工程桥塔关键位置的地震响应差值比为1.4%~42.4%,E2地震作用下该差值比为0.3%~19.3%,长周期设计反应谱作用下桥塔和加劲梁的地震响应均大于安评反应谱对应的响应;对于E2地震作用下关键承重构件需要保持弹性的超大跨悬索桥而言,提出的长周期设计反应谱可以合理地指导其抗震设计。

     

  • 图  1  地震动的震中距和矩震级的分布

    Figure  1.  Distribution of epicentral distances and moment magnitudes of ground motions

    图  2  地震动数据处理方案

    Figure  2.  Processing approach of ground motion data

    图  3  处理前后的地震动时程曲线及其弹性反应谱

    Figure  3.  Time history curves and elastic response spectra of ground motions before and after treatment

    图  4  地震动的傅里叶归一谱和加速度反应谱

    Figure  4.  Fourier normalized spectra and acceleration response spectra of ground motions

    图  5  长周期地震动筛选流程

    Figure  5.  Screening process of long-period ground motion

    图  6  长周期的地震动震中距和矩震级分布

    Figure  6.  Distribution of epicentral distances and moment magnitudes of long-period ground motions

    图  7  平均β谱参数标定结果

    Figure  7.  Calibration results of average β-spectrum parameters

    图  8  长周期设计β谱与地震动β谱对比

    Figure  8.  Comparison between long-period design β-spectrum and ground motion β-spectrum

    图  9  长周期设计β谱

    Figure  9.  Long-period design β-spectrum

    图  10  桥梁总体布置(单位:m)

    Figure  10.  Overall layout of bridge (unit: m)

    图  11  三类反应谱的β谱

    Figure  11.  β-spectra for three types of response spectra

    图  12  依托工程有限元模型

    Figure  12.  Finite element model of underlying engineering project

    图  13  长周期设计反应谱和安评反应谱

    Figure  13.  Long-period design response spectra and safety assessment response spectra

    图  14  纵向地震作用下的北桥塔响应

    Figure  14.  Response of northern bridge tower under longitudinal seismic action

    图  15  横向地震作用下的北桥塔响应

    Figure  15.  Response of northern bridge tower under lateral seismic action

    图  16  纵向地震作用下的南桥塔响应

    Figure  16.  Response of southern bridge tower under longitudinal seismic action

    图  17  横向地震作用下的南桥塔响应

    Figure  17.  Response of southern bridge tower under lateral seismic action

    图  18  地震作用下的辅塔响应

    Figure  18.  Response of auxiliary tower under seismic action

    图  19  地震作用下的加劲梁位移响应

    Figure  19.  Displacement response of stiffening beam under seismic action

    表  1  场地类别与Vs-30对应关系

    Table  1.   Correlation between site categories and Vs-30

    Vs-30 /(m·s-1) >510 (260, 510] (150, 260] ≤150
    场地类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
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    表  2  地震动条数分布

    Table  2.   Distribution of number of ground motions

    场地类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
    第1组 118 103 40 17
    第2组 301 435 110 31
    第3组 4 659 10 322 1 202 236
    合计 5 078 10 860 1 352 284
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    表  3  长周期地震动条数分布

    Table  3.   Distribution of number of long-period ground motions

    场地类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
    第1组 1
    第2组 6 32 16
    第3组 170 552 288 19
    合计 176 585 304 19
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    表  4  参数标定结果

    Table  4.   Parameter calibration results

    β谱参数 βmax Tg/s Tf/s γ δ
    Ⅰ 第1分组
    Ⅰ 第2分组 2.63 0.62 4.92 0.49 2.17
    Ⅰ 第3分组 2.62 0.93 7.60 0.73 2.13
    Ⅱ 第1分组
    Ⅱ 第2分组 2.78 1.03 4.91 0.70 1.99
    Ⅱ 第3分组 2.75 1.27 5.18 0.72 1.84
    Ⅲ 第1分组
    Ⅲ 第2分组 2.41 1.71 5.23 0.55 2.89
    Ⅲ 第3分组 2.86 1.59 5.95 0.79 2.28
    Ⅳ 第1分组
    Ⅳ 第2分组
    Ⅳ 第3分组 3.14 2.02 6.08 1.29 2.81
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    表  5  参数建议取值

    Table  5.   Recommended parameter values

    β谱参数 βmax Tg/s Tf/s γ δ
    Ⅰ 第1分组
    Ⅰ 第2分组 2.65 0.65 5 0.8 1.6
    Ⅰ 第3分组 2.65 0.95 6 0.8 1.6
    Ⅱ 第1分组
    Ⅱ 第2分组 2.75 1.00 5 0.8 1.6
    Ⅱ 第3分组 2.75 1.30 6 0.8 1.6
    Ⅲ 第1分组
    Ⅲ 第2分组 2.85 1.50 5 0.8 1.6
    Ⅲ 第3分组 2.85 1.60 6 0.8 1.6
    Ⅳ 第1分组
    Ⅳ 第2分组
    Ⅳ 第3分组 3.15 2.00 6 1.2 1.8
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    表  6  基础六弹簧模型的刚度矩阵参数取值

    Table  6.   Stiffness matrix parameter values of six-spring foundation model kN·m

    刚度 Kx Ky Kz Krx Kry Krz
    北桥塔 9.284×107 9.284×107 3.548×108 2.955×1011 6.097×1010 9.193×1010
    南桥塔 1.197×108 1.197×108 3.623×108 3.019×1011 6.248×1010 1.184×1011
    辅塔 2.565×107 2.540×107 7.939×107 7.943×1010 2.531×109 2.621×1010
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    表  7  动力特性计算值与实测值对比

    Table  7.   Comparison of calculated and measured values of dynamic characteristics

    阶次 有限元计算频率/Hz 风洞试验实测频率/Hz 振型特点 误差/ %
    1 0.038 1 0.037 0 加劲梁一阶正对称横弯 2.97
    2 0.060 5 0.061 0 加劲梁纵飘 -0.82
    3 0.083 2 0.075 1 加劲梁一阶反对称横弯 10.79
    4 0.085 2 0.082 0 加劲梁一阶正对称竖弯 3.90
    5 0.091 7 0.094 3 加劲梁一阶反对称竖弯+纵飘 -2.76
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-04
  • 录用日期:  2024-09-12
  • 修回日期:  2024-07-18
  • 刊出日期:  2025-06-28

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