第1章 绪论
1.1 大跨度高墩桥梁发展的必然性
随着交通强国战略的推进，中国经济腾飞[1，2]，四川、重庆和贵州等西部各省市经济也得到突飞猛进的发展，但发展规模却受限于西部相对落后的交通状况。西部大部分地区属于山区，山高谷深，地形复杂，因此在西部修建公路和铁路路网首先就面临要跨越深切峡谷的挑战，从而需要修建大量的高墩桥梁[3，4]。
高墩桥梁结构复杂，需要正确的受力分析为高墩桥梁安全提供保障。随着有限元技术和大量商用工程软件的应用与开发，大跨度高墩桥梁在施工和成桥状态的受力分析的准确性方面得到了强有力的支持。同样，在世界各国，经济相对发达的城市一般都地势平坦，水源丰富，交通便利，而山区城镇一般都处于相对落后的状态。为了促进经济发展的平衡和山区丰富矿产资源的开发，首先需要解决偏远山区的交通问题，从而促进了跨越山区宽沟、深谷的大跨度高墩桥梁的不断涌现。随着国家“十四五”对西部经济发展的进一步推进，将会有更多高墩桥梁修建，针对大跨度高墩桥梁进行系列研究，能为后续新建的高墩桥梁相关设计提供参考[5，6]。
1.1.1 国外大跨度高墩桥梁的发展
20世纪30年代国外发达国家就开始了大跨度高墩桥梁的相关研究，主要集中在预应力混凝土、分段悬臂施工方法和高强钢丝提供预应力等方面。随着前期技术的成熟，在1950年前后几年里，德国修建的500多座桥梁中，有350座都是预应力混凝土桥梁。后来，工程师弗莱西奈对预应力桥梁进行分段预制施工研究，乌利希?芬斯特瓦尔德采用预应力混凝土现浇平衡悬臂施工法成功修建了跨越兰河的预应力桥。随着预应力技术和悬臂施工法的发展，大跨度高墩、超高墩桥梁的出现成为一种可能。故在60～70年代，大跨度高墩桥梁在国外得到了长足发展和快速推广。时至今日，由于国外经济已经发展到一定水平，近年来新修桥梁越来越少，也导致新修建高墩桥梁比较少[7，8]。据不完全统计，国外部分大跨度高墩桥梁如表1-1所示。
1963～2013年，国外的大跨度高墩桥梁得到了迅速发展，具有代表性的大跨度高墩桥梁有奥地利的“欧洲”大桥和澳大利亚的门道大桥等，如图1-1～图1-4所示。*近的二十年，发达国家的桥梁建设基本已经饱和，当今主要任务是对既有桥梁的检修和加固处理。
1.1.2 国内大跨度高墩桥梁的发展
对大跨度高墩桥梁的研究，我国起步较晚，但是进展迅猛。随着国家对西部开发进程的加快，西部交通也发生了翻天覆地的变化。我国幅员辽阔，领土面积达960多万平方公里，这使得全国各地自然特性相差悬殊，情况十分复杂。尤其是西南艰险山区，地形复杂，山高谷深，在该区域修建铁路，不可避免地需要跨越深沟深谷，基于特殊的地形因素，我国95%的大跨度高墩桥梁集中在该地区。同时大跨度高墩桥梁以刚度大、跨越能力强等优点而见长，故大跨度超高墩桥梁在所有修建桥梁中占相当重要的地位。
目前，国内*大墩高的铁路桥梁是宜万线的渡口河特大桥，设计速度160km/h，主桥为(72+128+72)m的双线预应力混凝土连续刚构桥，*高主墩128m。为满足横向刚度要求，主墩横向采用双边坡呈扫帚形桥墩；*大跨度铁路刚构桥是襄渝线的牛角坪双线特大桥，主桥为(100+192+100)m预应力混凝土连续刚构桥，*高主墩98m，也采用扫帚形桥墩。在建渝利铁路蔡家沟双线特大桥，设计速度200km/h，主桥为(80+3×144+80)m预应力混凝土连续刚构桥，建筑高度接近200m，*大墩高139m，采用A字形桥墩，建成后为目前世界*高铁路桥墩。在此桥的修建过程中，结合大桥设计开展了A字形高墩大跨度混凝土连续刚构桥设计技术研究，解决大桥设计中的系列技术问题；内昆线李子沟特大桥，设计速度120km/h，主桥为(72+3×128+72)m预应力混凝土刚构-连续组合梁单线桥，*高主墩107m；渝怀线黄草乌江特大桥，主桥为(96+168+96)m预应力混凝土连续刚构双线桥；重庆枢纽遂渝引入新北碚嘉陵江主桥为(94+168+84)m预应力混凝土连续刚构双线桥，设计速度200km/h，采用无砟轨道。
在公路方面的高墩桥梁，国内典型的连续刚构公路大跨桥梁有：湖北沪蓉西高速公路龙潭河特大桥，*高主墩178m，双壁墩，其主桥为(106+3×200+106)m五跨预应力混凝土连续刚构桥；双河口特大桥，*高主墩114.9m，其主桥为(106+200+106)m的曲线连续刚构桥；贵州洋水河特大桥，主墩高(息烽岸)185.8m，其主桥为(2×40+122+230+8×40)m连续刚构T型梁；贵州省六盘水市北盘江特大桥，*大墩高176m，主桥为(82.5+220+290+220+82.5)m预应力混凝土斜腿连续刚构桥，引桥为(5×30+3×30+4×30)m先简支后结构连续的预应力混凝土T型梁；四川雅安腊八斤大桥，10号墩高达182.5m，主桥为(105+2×200+ 105)m变截面连续刚构梁；四川凉山金阳河特大桥，6号墩高196m，是目前同类型连续刚构桥世界第一高，主桥为(106+2×200+115+40)m的连续刚构桥。
高速铁路曲线半径大(速度350/250km/h客运专线铁路*小曲线半径推荐值为8000～10000m，一般情况下不小于7000m，困难条件下不小于5500m)，一般采用无砟轨道。受线路技术标准制约，为绕避地形控制点，不可避免地将采用高墩、大跨度结构桥梁，正在设计的贵广、长昆客运专线，成贵铁路有多座高墩、大跨度结构桥梁，其墩高超过50m的高墩桥梁如表1-2所示。
贵广、长昆客运专线和成贵铁路的高墩、大跨度结构桥梁可归纳为以下几种典型类型，这几种典型高墩结构桥梁的主要特点如下[9]。
1.大跨度拱桥
大跨度拱桥是跨越U形宽大且深切的沟谷常采用的桥型且采取一跨跨过深谷的方法。根据所需跨度，选择采用下承式钢筋混凝土(钢管混凝土)拱桥的结构类型，长昆客运专线北盘江特大桥、成贵铁路西溪河大桥即属于这种结构类型。下承式钢筋混凝土(钢管混凝土)拱桥具有整体刚度大、施工方案成熟等特点，在山区铁路的建设中得到了广泛应用，成为跨越200m以上沟谷的主要结构型式。受温度变化、风荷载等因素影响，大跨度拱桥将发生较大的结构变形，大桥设计除需满足施工、运营期间的强度要求，还应研究高速轨道变形要求、桥梁刚度限值；合理的桥上轨道类型；采用无砟轨道，合理的成桥线型；减小桥梁风振影响的措施等。
2.预应力混凝土高墩、大跨度连续结构桥梁
预应力混凝土连续结构桥梁以其整体刚度大、施工方法成熟等特点，在山区高速铁路桥梁建设中得到较多的使用，尤其是跨越V形河谷，受线路标高控制，需采用高墩结构，当桥梁跨度不太大时，一般采用预应力混凝土连续结构桥梁，跨越河谷。长昆客运专线、成贵铁路有大量这种结构的桥梁。当两岸边坡差别较大时，其主墩往往墩高差别较大。
3.长联预应力混凝土高墩、大跨度连续结构桥梁
跨越宽大河谷的高墩、大跨度桥梁采用长联连续结构跨越河谷，整联桥中有多个高墩。
4.长大高墩简支结构桥梁
当跨越宽大河谷，桥墩普遍较高时，采用多跨简支结构桥梁的型式。
中国西部具有代表性的几座大跨度高墩桥梁如图1-5～图1-8所示。
1.1.3 大跨度高墩桥梁抗震研究的必要性
地震一直是困扰人类的重大自然灾害之一，近几十年以来，全球发生许多大地震，平均每年发生8级以上地震的次数超过1次，如印度尼西亚2004年12月8.9级地震、苏门答腊2005年3月8.7级地震、秘鲁2007年8月8.0级地震、中国汶川2008年5月8.0级地震、智利2010年2月8.8级特大地震、日本2011年3月9.0级地震、苏门答腊2012年4月8.6级地震、智利2014年4月8.0级地震、日本2015年5月8.0级地震、新西兰2016年11月8.0级地震、斐济群岛地区2018年8月8.1级地震、美国阿拉斯加州以南海域2021年7月8.1级地震等，给人类生命和财产带来巨大损失[10]。我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育。近年来，地球各板块运动较为活跃，我国也进入了新一轮地震活跃期。20世纪以来，中国共发生6级以上地震近800次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市。
中国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，是一个震灾严重的国家。1900年以来，中国死于地震的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%；1949年以来，100多次破坏性地震袭击了22个省(自治区、直辖市)，其中涉及东部地区14个省份，造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54%，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。地震及其他自然灾害的严重性构成中国的基本国情之一[11]。
1.2 随机振动理论在大跨度桥梁中的应用
目前，对于桥梁结构的抗震分析方法有反应谱法、时程分析法和随机振动法。
反应谱法是当前世界上应用*广泛的抗震分析方法，是一种基于随机理论的近似方法。相对于静力法，反应谱法科学地考虑了结构动力特性与场地运动特性，很容易得到结构响应的*大值。但是，反应谱法基于弹性理论，不能反映大跨度桥梁地震波输入的相位差即行波效应、非线性效应、桩-土-结构相互作用效应等实际问题。
时程分析法在计算方法上相对简单，同时也是公认的精确分析法，可直接运用Newmark法、Wilson-θ法等数值求解方法对动力方程进行求解；能有效地解决多点激励、非线性和桩-土-结构相互作用等问题；能计算结构弹塑性内力及构件从开裂到结构倒塌全过程；可得到结构在地震作用下每一个时刻的响应。但是，时程分析法的计算结果非常依赖于地震波的选择，同一地震烈度的不同波计算出来的结果可能相差10倍且非常耗时，在缺乏实际地震记录的情况下，时程分析法仅作为反应谱法的一种补充。
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