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系統識別號 U0002-1502201112005200
中文論文名稱 自錨式吊拉組合橋地震反應特性之探討
英文論文名稱 An Investigation into the Seismic Response Characteristics of Self-Anchored Cable-Stayed Suspension Bridge
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 99
學期 1
出版年 100
研究生中文姓名 陳信宇
研究生英文姓名 Shin-Yu Chen
學號 697380359
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-01-07
論文頁數 180頁
口試委員 指導教授-高金盛
委員-曾清銓
委員-苟昌煥
委員-段永定
中文關鍵字 自錨式  吊拉組合橋  地震反應  反應譜分析  歷時分析  金屬耗能減震器 
英文關鍵字 Self-anchored  Cable-stayed Suspension Bridge  Earthquake Response  Response Spectrum analysis  Time history analysis  Metal Damper 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 自錨式吊拉組合橋是一種全新的結構體系,由主梁、橋塔、主纜、斜拉索及垂直吊索所組合而成的新式橋梁,兼具了自錨式懸索橋和斜張橋的許多優點。相較於自錨式懸索橋,具有較高的抗風穩定性;又相較於自錨式斜張橋,則具有較低的橋塔高度,所以在大跨度橋梁中具有很大的發展空間。
本文針對自錨式吊拉組合橋的地震反應特性進行分析模型建立與分析探討比較,文中利用ANSYS套裝軟體,以反應譜法及歷時法,進行在堅硬、普通、軟弱及台北盆地等四種不同地質條件的自錨式吊拉組合橋於順橋向及垂直向之地震反應分析,藉以瞭解位處四種不同地質條件的自錨式吊拉組合橋之地震反應特性;另外,亦進行具有不同子結構勁度或不同幾何形狀的自錨式吊拉組合橋之地震反應分析,藉以瞭解不同子結構勁度與不同幾何形狀的自錨式吊拉組合橋之地震反應特性。研究成果顯示,斜拉索子結構勁度變化對順橋向地震反應之影響最大;主纜子結構勁度變化對垂直向地震反應之影響最大。另外幾何形狀變化中,以矢跨比變化對地震反應影響最大。
最後以歷時方法分析探討裝設金屬耗能減震器對自錨式吊拉組合橋地震反應之影響比較,以及子結構勁度變化及幾何形狀變化對此種橋梁順橋向地震反應之影響。研究成果顯示,金屬耗能減震器在地震時可以消耗大量的地震能量,減少主梁及橋塔的變位,亦可有效減少斜拉索及主纜的內力之情形發生。
英文摘要 A self-anchored cable-stayed suspension bridge, which includes stayed cables and possesses, combines merits of both a self-anchored suspension bridge and a cable-stayed suspension bridge, which forms a totally renewed structure mechanism. When compared to a self-anchored suspension bridge, this type of bridge gives better wind-resisting stabilities; and when compared to a cable-stayed suspension bridge, this type of bridge requires a lower tower height and does not require huge anchor bases. Hence, it is more adaptable to complex and weak geological conditions, and is therefore expected to have a more extensive developing room in the category of large-span bridges.
This research has established the numerical models and performed the detailed analysis to investigate the characteristics of earthquake response of self-anchored cable-stayed suspension bridge. By using ANSYS program and both of response spectrum analysis method and time history analysis method, this research performs the longitudinal and vertical earthquake response analysis in four different geological conditions in order to realize the characteristics of earthquake response of self-anchored cable-stayed suspension bridge in different geological condition. In addition, the influences of geometric changes and the changes in the stiffness of substructures on the earthquake response of self-anchored cable-stayed suspension bridge are also studied. The analysis results indicate that the change in the stiffness of slant cables has the largest influence on the longitudinal earthquake response, and the change in the stiffness of main cables has the largest influence on the vertical earthquake response. Moreover, the change of rise-span ratio has the largest effect in influences of geometric changes.
Finally, through time history analysis, the earthquake response of cable-stayed suspension bridge, after the installation of the metal dampers, has been analyzed and studied in this research. In addition, the influences of geometric changes and the changes in the stiffness of substructures on the earthquake response of this bridge are also studied. As a result, the device of the metal dampers can effectively reduce the energy of earthquake, joint displacement of main girder and tower, internal force of slant cables and main cables, etc.
論文目次 摘 要 I
Abstract III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機及目的 1
1.3研究內容 3
第二章 文獻回顧及橋梁基本架構 6
2.1前言 6
2.2文獻回顧 6
2.2.1斜張橋地震反應 6
2.2.2懸索橋地震反應 11
2.2.3吊拉組合橋地震反應 17
2.2.4隨機地震反應 19
2.2.5金屬阻尼器 22
2.3自錨式吊拉組合橋基本架構 23
第三章 自錨式吊拉組合橋彈性地震反應之反應譜法分析 25
3.1 前言 25
3.2 分析理論 26
3.2.1自錨式吊拉組合橋動力分析理論 26
3.2.2主梁應變能 26
3.2.3大位移勢能廣義函數 28
3.2.4自由振動方程式 33
3.2.5地震作用下橋梁結構運動方程式 35
3.3分析模式 37
3.3.1自錨式吊拉組合橋基本分析資料 37
3.3.2有限元素分析模型式 40
3.4分析結果與探討比較 42
3.4.1振動頻率與振態 42
3.4.2彈性地震反應譜分析 43
3.4.2.1順橋向彈性地震反應分析 44
3.4.2.2 垂直向彈性地震反應分析 48
3.4.3不同地盤對彈性地震反應之影響 51
3.4.3.1 對順橋向地震反應之影響 51
3.4.3.2 對垂直向地震反應之影響 55
3.4.4子結構勁度變化對地震反應之影響 58
3.4.4.1 子結構勁度變化對振動頻率之影響 58
3.4.4.2 子結構勁度變化對順橋向地震反應之影響 61
3.4.4.3 子結構勁度變化對垂直向地震反應之影響 67
3.4.5幾何形狀變化對地震反應之影響 72
3.4.5.1 幾何形狀變化對順橋向地震反應之影響 72
3.4.5.2 幾何形狀變化對垂直向地震反應之影響 78
3.5小結 84
第四章 自錨式吊拉組合橋彈性地震反應之歷時法分析 88
4.1前言 88
4.2分析理論 89
4.2.1動力歷時分析法 89
4.2.2動力方程式的數值解法 89
4.2.3雷利阻尼係數 90
4.3 分析模式 91
4.3.1基本分析資料 91
4.3.2有限元素分析模式 96
4.4 分析結果與探討 97
4.4.1彈性地震反應分析 97
4.4.1.1順橋向地震反應分析 97
4.4.1.2垂直向地震反應分析 101
4.4.2不同地盤對彈性地震反應之影響 105
4.4.2.1 對順橋向地震反應之影響 105
4.4.2.2 對垂直向地震反應之影響 109
4.4.3子結構勁度變化對地震反應之影響 113
4.4.3.1 子結構勁度變化對順橋向地震反應之影響 116
4.4.3.2 子結構勁度變化對垂直向地震反應之影響 118
4.4.4幾何形狀改變對地震反應之影響 124
4.4.4.1 幾何形狀變化對順橋向地震反應之影響 124
4.4.4.2 幾何形狀變化對垂直向地震反應之影響 130
4.5小結 136
第五章 設置金屬耗能減震器自錨式吊拉組合橋地震反應之歷時分析法分析 141
5.1前言 141
5.2金屬耗能減震的基本概念及類型 142
5.2.1耗能減震的基本概念 142
5.2.2阻尼器的分類 143
5.2.3金屬耗能減震器的特性和原理 144
5.3分析模式 147
5.3.1基本分析資料 147
5.3.2有限元素分析模式 147
5.3.3金屬耗能減震器的力學分析模式 148
5.4分析結果與探討 150
5.4.1順橋向地震反應特性及比較 150
5.4.2金屬耗能減震器之耗能參數變化對順橋向地震反應之影響 154
5.4.3金屬耗能減震器在不同地盤時之減震效果 155
5.4.4金屬耗能減震器在子結構勁度變化時之減震效果 160
5.4.4.1 金屬耗能減震器在主梁子結構勁度變化時之減震效果 164
5.4.4.2 金屬耗能減震器在橋塔子結構勁度變化時之減震效果 164
5.4.4.3 金屬耗能減震器在斜拉索子結構勁度變化時之減震效果 164
5.4.4.4 金屬耗能減震器在主纜子結構勁度變化時之減震效果 165
5.4.4.5 金屬耗能減震器在垂直吊索子結構勁度變化時之減震效果 165
5.4.4.6 綜合小結 166
5.4.5金屬耗能減震器在幾何形狀變化時之減震效果 166
5.4.5.1 金屬耗能減震器在主梁拱度變化時之減震效果 169
5.4.5.2 金屬耗能減震器在矢跨比變化時之減震效果 169
5.4.5.3 綜合小結 169
5.5小結 170
第六章 結論與建議 172
6.1結論 172
6.2建議 173
參考文獻 175

圖 3 1 自錨式吊拉組合橋示意圖 26
圖 3 2 梁單元自由體圖及彎曲變形圖 27
圖 3 3 自錨式吊拉組合橋全橋側視圖 38
圖 3 4 鋼筋混凝土箱梁斷面圖及鋼箱梁斷面圖(單位m) 38
圖 3 5 橋塔型式 (單位 m) 39
圖 3 6 自錨式吊拉組合橋有限元素模型 41
圖 3 7 第三類地盤地震反應譜 41
圖 3 8 自錨式吊拉組合橋之四個主要振態 43
圖 3 9 順橋向地震之主梁水平位移 44
圖 3 10順橋向地震之橋塔頂部水平位移 45
圖 3 11 順橋向地震之主梁彎矩 45
圖 3 12 順橋向地震之橋塔彎矩 46
圖 3 13 順橋向地震之主纜索力 46
圖 3 14 順橋向地震之斜拉索索力 47
圖 3 15 順橋向地震之垂直吊索索力 47
圖 3 16 垂直向地震之主梁垂直位移 48
圖 3 17 垂直向地震之橋塔水平位移 48
圖 3 18 垂直向地震之主梁彎矩 49
圖 3 19 垂直向地震之橋塔彎矩 49
圖 3 20 垂直向地震之主纜索力 50
圖 3 21 垂直向地震之斜拉索索力 50
圖 3 22 垂直向地震之垂直吊索索力 51
圖 3 23 順橋向地震時四類地盤主梁中點水平位移比較 52
圖 3 24 順橋向地震時四類地盤橋塔頂部水平位移比較 53
圖 3 25 順橋向地震時四類地盤主梁最大彎矩比較 53
圖 3 26 順橋向地震時四類地盤橋塔最大彎矩比較 53
圖 3 27 順橋向地震時四類地盤主纜最大索力比較 54
圖 3 28 順橋向地震時四類地盤斜拉索最大索力比較 54
圖 3 29 順橋向地震時四類地盤垂直吊索最大索力比較 54
圖 3 30垂直向地震時四類地盤主梁中點垂直位移比較 56
圖 3 31垂直向地震時四類地盤橋塔頂部水平位移比較 56
圖 3 32垂直向地震時四類地盤主梁最大彎矩比較 56
圖 3 33垂直向地震時四類地盤橋塔最大彎矩比較 57
圖 3 34垂直向地震時四類地盤主纜最大索力比較 57
圖 3 35垂直向地震時四類地盤斜拉索最大索力比較 57
圖 3 36垂直向地震時四類地盤垂直吊索最大索力比較 58
圖 4 1 四類地盤反應譜 92
圖 4 2 測站TCU096之堅硬地盤人造地震歷時記錄 92
圖 4 3 測站TCU096之普通地盤人造地震歷時記錄 93
圖 4 4 測站TCU096之軟弱地盤人造地震歷時記錄 93
圖 4 5 測站TCU096之台北盆地地盤人造地震歷時記錄 94
圖 4 6 測站TCU096之堅硬地盤人造正規化地震紀錄譜加速度與設計譜加速度之比較 94
圖 4 7 測站TCU096之普通地盤人造正規化地震紀錄譜加速度與設計譜加速度之比較 95
圖 4 8 測站TCU096之堅硬地盤人造正規化地震紀錄譜加速度與設計譜加速度之比較 95
圖 4 9 測站TCU096之堅硬地盤人造正規化地震紀錄譜加速度與設計譜加速度之比較 96
圖 4 10 順橋向地震時主梁中點水平位移之歷時反應 98
圖 4 11 順橋向地震時橋塔頂部水平位移之歷時反應 98
圖 4 12 順橋向地震時主梁最大彎矩之歷時反應 99
圖 4 13 順橋向地震時橋塔底部彎矩之歷時反應 99
圖 4 14 順橋向地震時主纜最大索力之歷時反應 100
圖 4 15 順橋向地震時斜拉索最大索力之歷時反應 100
圖 4 16 順橋向地震時垂直吊索最大索力之歷時反應 101
圖 4 17 垂直向地震時主梁中點垂直位移之歷時反應 102
圖 4 18 垂直向地震時橋塔頂部水平位移之歷時反應 102
圖 4 19 垂直向地震時主梁最大彎矩之歷時反應 103
圖 4 20 垂直向地震時橋塔底部彎矩之歷時反應 103
圖 4 21 垂直向地震時主纜最大索力之歷時反應 104
圖 4 22 垂直向地震時斜拉索最大索力之歷時反應 104
圖 4 23 垂直向地震時垂直吊索最大索力之歷時反應 105
圖 4 24 順橋向地震時四類地盤主梁中點水平位移歷時比較 107
圖 4 25 順橋向地震時四類地盤橋塔頂部水平位移歷時比較 107
圖 4 26 順橋向地震時四類地盤主梁最大彎矩歷時比較 107
圖 4 27 順橋向地震時四類地盤橋塔底部彎矩歷時比較 108
圖 4 28 順橋向地震時四類地盤主纜最大索力歷時比較 108
圖 4 29 順橋向地震時四類地盤斜拉索最大索力歷時比較 108
圖 4 30 順橋向地震時四類地盤垂直吊索最大索力歷時比較 109
圖 4 31 垂直向地震時四類地盤主梁中點垂直位移歷時比較 110
圖 4 32 垂直向地震時四類地盤橋塔頂部水平位移歷時比較 111
圖 4 33 垂直向地震時四類地盤主梁最大彎矩歷時比較 111
圖 4 34 垂直向地震時四類地盤橋塔底部彎矩歷時比較 111
圖 4 35 垂直向地震時四類地盤主纜最大索力歷時比較 112
圖 4 36 垂直向地震時四類地盤斜拉索最大索力歷時比較 112
圖 4 37 垂直向地震時四類地盤垂直吊索最大索力歷時比較 112
圖 5 1 四種不同阻尼裝置的遲滯曲線 144
圖 5 2 應力—應變曲線 145
圖 5 3 耗能器在一次迴圈中的耗能 146
圖 5 4 理想的彈塑性恢復力模型 148
圖 5 5 雙折線恢復力模型 149
圖 5 6 裝設金屬耗能減震器時主梁中點水平位移之歷時反應 151
圖 5 7 裝設金屬耗能減震器時橋塔頂部水平位移反應之歷時分析 151
圖 5 8 裝設金屬耗能減震器時主梁最大彎矩反應之歷時分析 152
圖 5 9 裝設金屬耗能減震器時橋塔最大彎矩反應之歷時分析 152
圖 5 10 裝設金屬耗能減震器時主纜最大索力反應之歷時分析 153
圖 5 11 裝設金屬耗能減震器時斜拉索最大索力反應之歷時分析 153
圖 5 12 裝設金屬耗能減震器時垂直吊索最大索力反應之歷時分析 154
圖 5 13 有無裝設金屬耗能減震器對主梁中點水平位移之地震反應影響比較 156
圖 5 14 有無裝設金屬耗能減震器對橋塔頂部水平位移之地震反應影響比較 157
圖 5 15 有無裝設金屬耗能減震器對主梁最大彎矩地震反應影響比較 157
圖 5 16 有無裝設金屬耗能減震器對橋塔最大彎矩地震反應影響比較 158
圖 5 17 有無裝設金屬耗能減震器對主纜最大索力地震反應影響比較 158
圖 5 18 有無裝設金屬耗能減震器對斜拉索最大索力地震反應影響比較 159
圖 5 19 有無裝設金屬耗能減震器對垂直吊索索力地震反應影響比較 159
圖 5 20 有無裝設金屬耗能減震器對基底剪力和地震反應影響比較 160

表 3 1 吊拉組合橋斷面參數 39
表 3 2 吊拉組合橋材料彈性模數(單位:KN/m2) 39
表 3 3 吊拉組合橋前20個振態之振動頻率與振態特性 42
表 3 4 順橋向地震時四類地盤位疑及內力反應結果比較 52
表 3 5 垂直向地震時四類地盤位移及內力反應結果比較 55
表 3 6 子結構勁度變化之振動頻率 59
表 3 7 順橋向地震時主梁子結構勁度變化之地震反應影響比較 62
表 3 8 順橋向地震時橋塔與主纜子結構勁度變化之地震反應影響比較 63
表 3 9 順橋向地震時斜拉索與垂直吊索子結構勁度變化之地震反應影響比較 64
表 3 10 垂直向地震時主梁子結構勁度變化之地震反應影響比較 67
表 3 11 垂直向地震時橋塔與主纜子結構勁度變化之地震反應影響比較 68
表 3 12 垂直向地震時斜拉索與垂直掉索子結構勁度變化之地震反應影響比較 69
表 3 13 順橋向地震時主梁拱度變化之地震反應影響比較 73
表 3 14 順橋向地震時主纜矢跨比變化之地震反應影響比較 73
表 3 15 順橋向地震時交叉吊索變化之地震反應影響比較 74
表 3 16 順橋向地震時輔助墩位置變化之地震反應影響比較 75
表 3 17 垂直向地震時主梁拱度變化之地震反應影響比較 78
表 3 18 垂直向地震時主纜矢跨比變化之地震反應影響比較 79
表 3 19 垂直向地震時交叉吊索變化之地震反應影響比較 80
表 3 20 垂直向地震時輔助墩位置變化之地震反應影響比較 81
表 4 1 順橋向地震時四類地盤位移及內力歷時結果比較 106
表 4 2 垂直向地震時四類地盤位移及內力歷時結果比較 109
表 4 3 順橋向地震時主梁子結構勁度變化之地震反應影響比較 113
表 4 4 順橋向地震時橋塔和主纜子結構勁度變化之地震反應影響比較 114
表 4 5 順橋向地震時斜拉索和垂直吊索子結構勁度變化之地震反應影響比較 115
表 4 6 垂直向地震時主梁子結構勁度變化之地震反應影響比較 119
表 4 7 垂直向地震時橋塔和主纜子結構勁度變化之地震反應影響比較 120
表 4 8 垂直向地震時斜拉索和垂直吊索子結構勁度變化之地震反應影響比較 121
表 4 9 順橋向地震時主梁拱度變化之地震反應影響比較 124
表 4 10 順橋向地震時矢跨比變化之地震反應影響比較 125
表 4 11 順橋向地震時交叉吊索變化之地震反應影響比較 126
表 4 12 順橋向地震時輔助墩位置變化之地震反應影響比較 127
表 4 13 垂直向地震時主梁拱度變化之地震反應影響比較 130
表 4 14 垂直向地震時矢跨比變化之地震反應影響比較 131
表 4 15 垂直向地震時交叉吊索變化之地震反應影響比較 132
表 4 16 垂直向地震時輔助墩位置變化之地震反應影響比較 134
表 5 1 不同耗能參數對順橋向地震歷時反應分析之比較 155
表 5 2 金屬耗能減震器對四類地盤地震反應影響比較 156
表 5 3 裝設金屬耗能減震器後主梁子結構勁度變化之地震反應影響比較 161
表 5 4 裝設金屬耗能減震器後橋塔及主纜子結構勁度變化之地震反應影響比較 162
表 5 5 裝設金屬耗能減震器後斜拉索及垂直吊索子結構勁度變化之地震反應影響比較 163
表 5 6 裝設金屬耗能減震器後主梁拱度變化之地震反應影響比較 167
表 5 7 裝設金屬耗能減震器後矢跨比變化之地震反應影響比較 168
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