新建鐵路蘭州至合作線祁家渡黃河大橋主橋抗震計算分析

王克輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

新建鐵路蘭州至合作線祁家渡黃河大橋主橋抗震計算分析

王克輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

新建鐵路蘭州至合作線祁家渡黃河大橋，主橋跨度為180 m勁性骨架混凝土拱橋。通過建立動力有限元模型，分析主橋的動力特性;然后采用反應譜方法、線性時程分析方法對該橋的地震反應進行了分析;并對主橋拱肋、立柱、拱肋橫撐等構件的關鍵截面進行了抗震驗算，計算結(jié)果均滿足設計規(guī)范的要求。關鍵詞:勁性骨架 鋼筋混凝土拱橋 動力特性 地震反應分析 抗震驗算

1 工程概況

橋位處由洮河引起的淤積嚴重。根據(jù)資料推測本線跨越黃河處淤積層厚度約為70 m，淤積層厚度直接影響到本線橋式的選擇。同時，橋址區(qū)北岸岸坡巖石易產(chǎn)生順層滑動、崩塌及落石等。為減少大橋施工時對兩岸地層的擾動，設計時采用跨徑為180 m的上承式鋼筋混凝土提籃拱跨越河谷(見圖1)。拱肋中心距由于穩(wěn)定性要求，需要大于跨度的1/20。為緩解較窄的橋面箱梁與較寬拱肋之間的矛盾，考慮橋梁的整體美觀，將兩分離式拱肋設置呈變間距。拱頂處兩拱肋中心距采用5.2 m;拱腳處拱肋中心距加寬至12.5 m。因此拱肋呈傾斜布置，拱頂內(nèi)傾3.65 m，其傾角為5.56°。拱肋采用單箱單室截面，拱肋截面寬取2.5 m，拱頂截面高取3.5 m，拱腳截面高取6.0 m，拱頂?shù)焦澳_范圍內(nèi)拱肋高度按立特公式變化。拱肋上每隔14.5 m左右設一立柱，拱上立柱采用雙斜柱，實心截面，1#—4#立柱、7#—10#立柱尺寸為160 cm(縱向)×200 cm(橫向)，立柱橫撐尺寸為130 cm×100 cm。托盤高1.1 m，寬1.8 m;頂帽高0.5 m，寬2.0 m。

圖1 主跨立面(單位:m)

考慮到連續(xù)梁能增強橋面縱、橫向的剛度，行車條件好，拱頂框架兩端均設計為橋面縱梁。橋面縱梁采用等高度鋼筋混凝土連續(xù)梁，單箱單室截面，箱梁高1.8 m，頂板寬 9.1 m，底板寬 4.9 m，跨中腹板厚40 cm，頂板厚27 cm，底板厚30 cm。

拱頂采用框架式結(jié)構，為避免其與拱圈共同受力而使頂板產(chǎn)生較大的順橋向壓力，每隔9.4 m設1道橫向斷縫;框架頂板和兩側(cè)墻采用混凝土鉸，以減少拱肋的不均勻沉降對框架產(chǎn)生的較大內(nèi)力?？蚣茼敯蹇缰泻?0 cm，框架側(cè)墻厚60 cm。

2 動力特性分析

2.1 計算模型

抗震分析采用有限元方法，在SAP2000V14分析程序中建立空間動力分析模型。有限元計算模型均以

建模時，根據(jù)上承式勁性骨架拱橋的結(jié)構特點建立三維有限元動力分析模型。拱肋、拱上立柱、拱座墩身、主梁均采用空間梁單元，其中主梁采用單主梁式模型，二期恒載采用梁單元分布荷載模擬。在動力分析中，利用SAP2000定義質(zhì)量源的方法將二期恒載的分布荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點質(zhì)量，承臺模擬為質(zhì)點。拱肋和拱上立柱之間采用主從約束進行模擬，拱腳以及拱座墩底均采用固結(jié)進行模擬。主梁與拱上立柱以及拱座墩身在橫橋向考慮擋塊的作用采用固結(jié)。

2.2 動力特性

分析和認識橋梁結(jié)構的動力特性是進行橋梁結(jié)構抗震性能分析的基礎和重要環(huán)節(jié)，為此，采用前述結(jié)構計算模型，對祁家渡大橋進行了動力特性分析。祁家渡大橋的前10階自振特性如表1所示。

表1 動力特性

3 抗震計算

3.1 設防水準

本橋采用的50年超越概率63.5%的風險水平相當于多遇地震，50年超越概率10%的風險水平相當于設計地震，50年超越概率2%的風險水平相當于罕遇地震。在施工圖設計階段，對主橋進行多遇地震以及罕遇地震作用下的抗震分析。

3.2 加速度反應譜

根據(jù)該橋的地質(zhì)資料，并通過初步的動力分析可知該橋的結(jié)構自振周期＜2 s，確定設計加速度反應譜(標準反應譜)的動力放大系數(shù)如圖2所示。圖中:Tg為反應譜特征周期;β為反應譜放大系數(shù)，阻尼比為5%。水平設計反應譜曲線如圖3所示。

圖2 加速度反應譜曲線

圖3水平地震動加速度反應譜(阻尼比5%)

3.3 加速度時程

根據(jù)阻尼比為5%的加速度反應譜人工生成三條地震加速度時程?，F(xiàn)將人工加速度與設計加速度反應譜繪制在圖中予以觀察(見圖4)，可以看到生成的人工加速度與設計加速度反應譜的頻譜特性曲線較為吻合。

圖4 設計反應譜與人工地震波的頻譜特性比較

3.4 截面抗震驗算

3.4.1 多遇地震作用下的驗算

1)順橋向不考慮車輛荷載引起的地震力工況。拱上立柱柱底截面及拱肋關鍵截面均未屈服，見表2和表3。

表2 拱上立柱柱底地震反應驗算結(jié)果(驗算軸力=恒載軸力－動軸力)

表3 拱肋關鍵截面地震反應驗算結(jié)果(驗算軸力=恒載軸力－動軸力)

2)橫橋向不考慮車輛荷載引起的地震力工況。拱上立柱柱底截面及拱肋關鍵截面均未屈服。

3.4.2 罕遇地震作用下的驗算

1)順橋向不考慮車輛荷載引起的地震力工況。拱上1#立柱柱底截面屈服，見表4。拱肋關鍵截面抗震驗算未見屈服。

表4 拱上立柱柱底地震反應驗算結(jié)果(驗算軸力=恒載軸力－動軸力)

2)橫橋向不考慮車輛荷載引起的地震力工況。拱上5#立柱柱底截面屈服，拱肋關鍵截面抗震驗算未見屈服。

4 結(jié)論

本研究首先建立了祁家渡大橋的動力有限元模型，分析了其動力特性。然后采用反應譜方法、線性時程分析方法對該橋的地震反應進行了分析。并對主橋拱肋、立柱、拱肋橫撐等構件的關鍵截面進行了抗震驗算，主要結(jié)論如下:

1)祁家渡大橋在多遇地震作用下拱肋各截面、拱上立柱、拱肋橫撐均未進入屈服，結(jié)構處于彈性工作狀態(tài)，達到預計的性能目標。

2)祁家渡大橋在順橋向罕遇地震作用下1#立柱和2#立柱柱底截面進入屈服，結(jié)構處于彈塑性工作狀態(tài)，需要合理配置塑性區(qū)域的鋼筋以保證立柱轉(zhuǎn)動的能力，設計中配筋已考慮。

3)祁家渡大橋在橫橋向罕遇地震作用下5#立柱柱底截面以及2#，3#，4#拱肋橫撐均進入屈服狀態(tài)，結(jié)構處于彈塑性工作狀態(tài)，需要合理配置塑性區(qū)域的鋼筋，設計中已考慮。

4)罕遇地震作用下橋梁部分立柱和拱肋橫撐進入屈服階段。

［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，2000.

［2］陳寶春.鋼管混凝土上承式拱橋橋型分析［J］.公路，2006 (2):65-67.

［3］瞿國釗，劉華全.宜萬鐵路落步溪大橋178 m混凝土拱橋設計［J］.鐵道標準設計，2005(11):123-125.

［4］蘇虹，胡世德.連續(xù)梁橋的抗震性能分析［J］.結(jié)構工程師，2002(2):89-91.

［5］滕炳杰，何畏.V形剛構—拱組合橋方案抗震性能分析［J］.鐵道建筑，2012(10):7-10.

(責任審編 趙其文)

U442.5+5

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.03

2015-04-30;

:2015-07-27

王克輝(1970— )，男，高級工程師。順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。各單元局部坐標系以單元軸向為1軸(從I節(jié)點指向J節(jié)點)，3軸保持水平且垂直于1軸，2軸按右手螺旋準則確定。全橋模型采用了750個單元，779個節(jié)點，22個連接單元。

1003-1995(2015)11-0011-03