某斜靠式鋼管混凝土拱橋地震響應分析

某斜靠式鋼管混凝土拱橋地震響應分析

高敏英宋瑞饒苾葭[摘要]：本文以某斜靠式鋼管混凝土拱橋為例，通過建立空間桿系有限元計算模型，計算出該斜靠式拱橋的動力特性，并分析了該橋在縱向和橫向地震激勵下的空間地震響應，給出了主拱和斜拱關鍵截面的內力，分析了該橋型的受力特點。[關鍵詞]：斜靠式拱橋；動力特性；時程分析；地震響應[Abstract]:thispapertakealeaningconcretefilledsteeltubulararchforexample,throughtoestablishthefiniteelementmodelofthespacetrusssystemtocalculatethedynamiccharacteristicsoftheleaningarchbridge,andanalysisofthebridgesspaceearthquakeresponseintheverticalandhorizontalseismicexcitation,thekeysectionsinternalforcesofthemainarchandobliquearchwasgiven,analysisofthebridge-forcecharacteristics.[Keywords]:leaningarchbridge;dynamiccharacteristics;timehistoryanalysis;seismicresponse：TU37：A：國內早期的鋼管混凝土拱橋地震響應分析是針對黃柏河大橋及石潭溪大橋進行的，前者采用反應譜法，后者采用動態(tài)時程法[1][2]，二者的計算結果均表明，鋼管混凝土拱肋在地震作用下所承受的內力較活載內力小。文獻[3][4]分別采用地震反應譜法和動態(tài)時程法對丫髻沙大橋進行了抗震性能驗算，分析過程中考慮了地震動空間變化的影響，進行主要構件強度校核和重要位移計算，其結果一方面表明，在丫髻沙大橋的工程場地條件下，該拱橋具有足夠的抗震性能。同時強調，豎向地震動和行波效應在進行結構抗震設計時應引起注意。文獻[5]對某跨徑336.8m的鋼管混凝土拱橋在同步激勵和多點激勵作用下的非線性地震響應特性進行了研究，探討了恒載內力、構型、多點激勵效應等因素對大跨度鋼管混凝土拱橋非線性地震響應的影響，認為結構的幾何非線性性質對大跨度鋼管混凝土拱橋的地震響應有較大影響。斜靠式拱橋由四片拱肋組成，中間兩片為平行的承重拱肋，兩側各設用來提高橋梁橫向穩(wěn)定性的斜拱肋。中間平行拱肋為橋梁的主要承重結構，橋面開闊、暢通，每側傾斜拱肋與相鄰豎直拱肋構成人行橋的空間。這種新型的拱橋由于取消了橫撐，而用斜拱來提供側向的剛度，其抗震性能如何，尚未得到現實地震的檢驗，所以對此類橋型進行抗震性能研究，探討和分析其在地震作用下的力學特點，為其設計提供一定的參考數據，并采用相應的抗震措施，保證橋梁的安全就顯得非常重要，本文正是在這一目的下提出。1橋梁概況某斜靠式拱橋主要承重結構為跨徑120m、矢跨比為1/4.8的下承式鋼管混凝土系桿拱。主拱圈采用鋼管混凝土結構，斷面由兩個直徑1m的鋼管上下連接組成，高2.5m。系梁采用預應力混凝土結構，為寬1.6m、高2.7m的箱型斷面。吊桿采用鍍鋅高強鋼絲制成的高強平行鋼絲束—冷鑄墩頭錨體系。吊桿間距5m，內拱全橋共44根吊桿。中橫梁采用預應力混凝土T型梁，端橫梁采用預應力鋼筋混凝土箱型結構，截面滿足受力及對拱腳的約束要求。橋面板采用普通鋼筋混凝土板式結構，與橫梁及系梁相接處均采用剛性連接以增強全橋的整體性。在兩拱肋及系梁中間，為加強橋面整體性，改善橋面板的受力狀況，沿橋梁縱向在橋面板以下，分別設置了2道縱梁，與橋面板及各橫梁剛性連接。本橋設計為下承式無風撐鋼管混凝土系桿空間拱結構，為保證拱肋橫向穩(wěn)定，在兩拱肋外分別設置兩道穩(wěn)定拱肋（外拱）。主拱肋向橋外側傾斜1度，穩(wěn)定拱向內傾斜8度。在橫向拱頂部拱段與主拱剛接。主橋的總體布置圖如圖1所示。圖1某斜靠式拱橋總體布置圖Fig1leaning-typearchbridgeengineeringdrawing2動力計算模型建立主橋由雙X型拱肋、吊桿、橋面系等幾部分組成。雙X型拱肋由內外拱肋中間設14根橫向聯(lián)系梁連接形成，橋面系包括端橫梁、中橫梁、系桿梁、縱梁、橋面板。為分析該橋梁初始平衡狀態(tài)下的力學性能，采用有限元軟件MIDAS/Civil建立橋梁的空間有限元計算模型，在建立橋梁有限元過程中，根據斜靠式拱橋的結構特點，內拱肋、外拱肋及內外拱肋間的橫向聯(lián)系梁、端橫梁、中橫梁、橫撐、小縱梁、樁基礎采用三維梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，吊桿采用只受拉的桁架單元模擬，其中內拱吊桿44根，外拱吊桿24根。橋面板根據橋面的厚度和鋪裝層的厚度，確定其厚度為0.22m。橋面以上的外拱和橫撐采用Q235鋼材的形式，其余材料為混凝土材料。具體材料特性值見表1所示，有限元模型見圖2所示。圖2斜靠式拱橋有限元模型Fig2Leaning-typearchbridgefinitemode3自振特性分析求解結構自振頻率及其振型可歸結為求解其廣義特征值問題，常用的計算方法有逆迭代法、Reyleigh-Ritz法、廣義Jacobi法、子空間迭代法、Ritz向量迭代法和分塊Lanczos向量迭代法等[6]。本文采用子空間迭代法，分別計算了該橋的前10階模態(tài)，計算結果見表2所示，圖3為前4階振型模態(tài)示意圖。表2拱橋頻率與自振周期Table2Archbridgefrequencyandnatural瀀攀爀椀漀攙猀模態(tài)第1階振型第2階振型第3階振型第4階振型圖31~4階振型模態(tài)示意圖Fig3Themodevibrationfiguresofthefrist4orders從表2計算所得橋梁結構前10階自振頻率、振動特征和振型圖可以看出，該橋的振型比較復雜，主要包括主拱、穩(wěn)定拱組合拱肋的橫向振動、扭轉振動和橋梁整體豎向振動、扭轉振動，該橋的振型具有下列特點：（1）主要振型有面外振動、面內振動和空間扭轉振動三種形式。（2）橋梁結構的前四階振型均以拱肋的橫向振動為主，直到第五階才出現全橋豎向振動。橋梁前十階振型中有八階為拱肋的面外橫向振動振型，這說明該種橋型的拱肋面內外剛度相差較大，其橫向剛度較豎向剛度弱。（3）該橋的基頻為0.4792Hz，小于一般的梁橋，但其基頻一般大于結構較柔的斜拉橋和懸索橋，它們的基頻一般在0.2Hz左右，所以斜靠式鋼管混凝土拱橋屬于中等柔性結構；4一致激勵下地震反應本文采用動態(tài)時程分析法對結構進行分析。時程分析法是將實際地震動記錄或人工生成的地震波作用于結構，直接對結構運動方程進行數值積分而求得結構地震反應的時間歷程。只要正確選擇地震動主要參數，且所選用的地震波基本符合這些主要參數，時程分析法就可以在一定程度上給出未來地震作用下的結構反應。根據現場的場地情況和研究目的，選擇EI-Centro（埃爾森特羅波）分別考慮縱向、橫向2種地震激勵的形式，分析類型采用線性分析，分析步長為0.02秒，分析時間為20秒?，F行的《公路工程抗震設計規(guī)范》中關于橋梁的一章適用于跨徑不超過150m的鋼筋混凝土和預應力混凝土梁橋、圬工或鋼筋混凝土的抗震設計，結構的阻尼比取5%。另外，鋼結構的阻尼比鋼筋混凝土結構低，一般可取3%[52]，本橋使用了鋼管混凝土和鋼筋混凝土兩種材料，其阻尼比采用4%。表3和表4分別給出了主拱和斜拱主要截面的內力值，圖4~5分別給出了主拱在縱向和橫向地震作用下的軸力包絡圖，圖6~7分別給出來在縱向和橫向地震作用下，主拱肋拱頂截面的縱向和橫向位移的時間歷程圖。1.43E+03圖4縱向地震激勵下主拱軸力包絡圖圖5橫向地震激勵下主拱軸力包絡圖Fig4MainarchaxisforceenvelopgraphunderFig5Mainarchaxisforceenvelopgraphunderlongitudinalseismicincentive琀爀愀渀猀瘀攀爀猀攀seismicincentive根據表3結果可知：橫向地震作用下，主拱及斜拱拱腳的軸力、彎矩、剪力均最大，主拱拱腳最大值為1.05E+04kN，斜拱拱腳最大值為4.54E+03kN，主拱拱腳彎矩最大值為1.01E+03kN.m，斜拱拱腳彎矩最大值為5.02E+02kN.m，主拱拱腳剪力最大值為6.67E+03kN，斜拱拱腳剪力最大值為4.30E+03kN.m。主拱的拱腳處軸力、彎矩、剪力最大，跨中及拱肋的其他部分數值相對要小，說明主拱軸線的抗震設計基本上是合理的，結構體現了拱橋的整體力學性能。由于主拱是主要的受力構件，其承受軸力大小能力是決定主拱截面尺寸大小的重要因素，故分析主拱在跨徑范圍內的軸力包絡圖就顯得非常重要，圖4和圖5分別列出了主拱在縱向和橫向地震激勵下的軸力包絡圖。在縱向地震激勵下，主拱拱腳受力較大，拱頂部位受力遠小于拱腳受力，拱腳軸力是拱頂軸力的5.94倍；在橫向地震作用下，主拱軸力較為均衡，拱腳軸力是拱頂軸力的1.33倍。在設計結構尺寸大小，應盡量考慮最不利因素，主拱整個跨徑截面應采用拱腳設計截面，保證足夠的富余系數。圖6縱向地震激勵下各位置縱向位移時間歷程圖圖7橫向地震激勵下各位置橫向位移時間歷程圖Fig6Thetime-historydiagramofX-directiondisplacentofeachpositionunderlongitudinalseismicincentiveFig7Thetime-historydiagramofY-directiondisplacentofeachpositionunder琀爀愀渀猀瘀攀爀猀攀seismicincentive圖6和圖7分別列出了在縱向和橫向地震激勵下，橋面中心點和主拱拱頂位置的位移時間歷程圖。由縱向地震作用下各位置位移時間歷程圖可以看出，縱向位移最大點發(fā)生在拱頂位置，其大小為79.4mm，橋面最大位移為25.8mm。橫向地震激勵致拱頂橫向位移達211.4mm，橋面最大位移為50.1mm，其值均大于縱向地震激勵下各位置的縱向位移，表明該橋橫向剛度遠小于縱向剛度，拱頂附近是主拱的薄弱部位，在設計中要加強該位置主拱與斜拱的連接。5結論（1）該斜靠式拱橋的基頻為0.4792Hz，小于一般的梁橋，頻率密集，前10階頻率均在2.1HZ以下，反應了該類橋型典型的動力特性，橋梁前2階模態(tài)均為主拱的橫向振動，反應了該橋的橫向剛度相對其他方向較弱；（2）斜靠式拱橋外觀優(yōu)美，受力明確，具有較好的抗震性能，在地震區(qū)選擇該類橋型是安全可靠的。（3）通過采用時程分析法分析主拱和斜拱內力，在地震作用下，主拱和斜拱的最不利位置為拱腳部位，設計時要加強該部位的強度。（4）橫向地震激勵使主拱拱頂產生最大的橫向位移，進一步表明該類橋型橫向剛度較弱，建議在設計中加強主拱和斜拱在拱頂附近的聯(lián)系。參考文獻[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工［M］.北京：人民交通出版社，1999.[2]李濤.大跨度鋼管混凝土拱橋的抗震分析[J].公路，