大跨度上承式鋼管混凝土拱橋地震響應(yīng)分析

尹 志 雨

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006)

大跨度上承式鋼管混凝土拱橋地震響應(yīng)分析

尹 志 雨

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006)

為研究大跨度上承式鋼管混凝土拱橋在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，基于地震反應(yīng)譜分析理論，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙以及工程場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)等技術(shù)資料，采用MIDAS/Civil建立了某大跨鋼管混凝土拱橋空間桿系有限元模型，對(duì)該橋在E1、E2地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了深入分析，結(jié)果表明：該橋主拱肋面外剛度相對(duì)較小，第一階振動(dòng)表現(xiàn)為橫橋向振動(dòng)；主拱肋之間的連接較弱導(dǎo)致基頻周期較長(zhǎng)；橫撐的設(shè)置可在一定程度上提高主拱肋的面外整體穩(wěn)定性；在E1、E2地震作用下，橋梁各關(guān)鍵構(gòu)件均處于彈性工作狀態(tài)，該橋滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

鋼管混凝土拱橋；上承式拱橋；動(dòng)力特性；地震響應(yīng)特性；反應(yīng)譜分析；抗震設(shè)防水平

鋼管混凝土拱橋跨越能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)形式多樣，造型美觀，該橋型的應(yīng)用在我國(guó)得到了快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年在旺蒼建成跨度115 m的國(guó)內(nèi)第一座鋼管混凝土拱橋至今，我國(guó)已建成的鋼管混凝土拱橋超過(guò)400座，平均18座/年[1]。鋼管混凝土拱橋一般跨度較大，結(jié)構(gòu)橫向剛度相對(duì)較弱，對(duì)其動(dòng)力特性以及地震響應(yīng)特性進(jìn)行深入分析，對(duì)于確保該橋的抗震設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)使用壽命期的要求以及提高橋梁結(jié)構(gòu)自身的安全運(yùn)營(yíng)和可靠性具有極為重要的作用。張波等[2]、王沛耘[3]和趙雅麗[4]對(duì)于既有鋼管混凝土拱橋的研究表明，該類型結(jié)構(gòu)由于在結(jié)構(gòu)組成體系、橋面寬度、支撐條件以及質(zhì)量分布和工程所處場(chǎng)地等諸多方面存在差異，分析具體橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)有助于了解所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高其抗震設(shè)防水平。本文以一座典型的上承式鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于反應(yīng)譜分析理論[5-6]利用橋梁專用分析軟件MIDAS/Civil對(duì)該拱橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及地震響應(yīng)進(jìn)行了分析，以期為大跨度上承式鋼管混凝土拱橋的抗震性能研究及同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，該橋?yàn)橐蛔湫偷纳铣惺戒摴芑炷凉皹?，主拱?jì)算跨徑為225 m，計(jì)算矢高45 m，矢跨比為1/5，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，人群荷載3.0 kN/m2。主拱圈為變截面桁式斷面，由鋼管混凝土與鋼管組成，拱頂斷面高度5 m，拱腳斷面高度9 m，兩片拱肋中心間距為12.5 m，一片拱肋橫向?qū)挾葹?.5 m，自拱腳至拱頂各段拱肋為1000×28(24、20) mm；拱上共設(shè)置14根立柱，截面為鋼管，直徑d=600 mm，壁厚t=16 mm；全橋在兩片拱肋間設(shè)6道X撐，8道橫撐，均為空鋼管桁架。鋼材為Q345，混凝土為C50。

2 有限元仿真分析模型的建立

基于空間桿系理論建立該上承式鋼管混凝土拱橋的地震響應(yīng)有限元?jiǎng)恿Ψ抡娣治瞿Ｐ?，如圖1所示。與靜力分析模型的區(qū)別是：不在于精細(xì)地模擬，而重點(diǎn)是要真實(shí)、準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)及構(gòu)件剛度、結(jié)構(gòu)阻尼及邊界條件。有限元分析模型中混凝土主梁采用梁?jiǎn)卧M，拱肋及拱肋上的橫撐、腹桿、立柱、蓋梁均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；拱肋與立柱共節(jié)點(diǎn)連接，立柱與蓋梁的連接利用彈性連接中的剛性連接來(lái)模擬；主梁與蓋梁之間的支座采用彈性連接模擬[7]?；诮M合結(jié)構(gòu)的計(jì)算思想，借助于軟件MIDAS/Civil聯(lián)合截面功能建立了雙材料單元[8]以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管混凝土拱肋的模擬，鋼管拱肋與拱內(nèi)混凝土之間以共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行考慮；混凝土形成結(jié)構(gòu)之前所有荷載施加在鋼管拱肋上，混凝土達(dá)到加載齡期后按鋼與混凝土聯(lián)合后的截面進(jìn)行計(jì)算。拱腳固結(jié)，不考慮結(jié)構(gòu)、地基相互作用。有限元模型共劃分為6 522個(gè)梁?jiǎn)卧? 818節(jié)點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

鑒于該鋼管混凝土拱橋的跨度相對(duì)較大，因此，在分析結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性時(shí)考慮了P-Δ效應(yīng)引起的彎矩增大效應(yīng)[9-10]。對(duì)于成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析，此處采用子空間迭代法[11-12]求解結(jié)構(gòu)的特征值。

圖1 有限元仿真分析模型

3 抗震設(shè)防水平與性能目標(biāo)

根據(jù)該橋工程地質(zhì)初勘報(bào)告和設(shè)計(jì)要求知，該橋單跨跨徑超過(guò)150 m，抗震設(shè)防類別為A類，應(yīng)按A類橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，地震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，場(chǎng)地類別屬于I類。為研究該橋在不同抗震設(shè)防水準(zhǔn)(E1和E2)條件下的地震響應(yīng)特性，此處采用反應(yīng)譜法對(duì)其進(jìn)行深入分析。

采用反應(yīng)譜法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析時(shí)，反應(yīng)譜分析采用我國(guó)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[5](JTG/T B02-01-2008)中的動(dòng)力放大系數(shù)，相應(yīng)的阻尼比為0.05時(shí)的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜S由下式確定：

(1)

式中：Tg為特征周期，s，按橋址位置在《中國(guó)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》上查??；T為結(jié)構(gòu)自振周期，s；Smax為水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值。該橋E1、E2反應(yīng)譜數(shù)據(jù)圖如圖2和圖3所示。

圖2E1反應(yīng)譜數(shù)據(jù)圖

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[5]中的相關(guān)規(guī)定，該橋?yàn)锳類橋梁，因此對(duì)其進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)應(yīng)采用E1和E2兩水平地震設(shè)防。

圖3E2反應(yīng)譜數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是進(jìn)行抗震性能研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[8-9]。此處利用MIDAS/Civil軟件基于子空間跌代法求解特征值，在此基礎(chǔ)上獲得結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的主要?jiǎng)恿μ匦匀绫?所示，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)前六階振型圖如圖4所示。

表2 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)自振特性表

圖4 成橋狀態(tài)振型圖

根據(jù)圖4可知，此鋼管混凝土拱橋成橋狀態(tài)的振型具有如下特點(diǎn)：

(1) 因主拱肋面外剛度比面內(nèi)受彎剛度小，因此本橋第一階振動(dòng)表現(xiàn)為橫橋向?qū)ΨQ側(cè)彎，該類型橋梁的橫向穩(wěn)定問(wèn)題應(yīng)引起重視，考慮到主拱肋間橫撐對(duì)結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定的重要貢獻(xiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)增加拱頂及1/4跨橫撐剛度及數(shù)量、強(qiáng)化拱腳段橫撐的方法來(lái)提高主拱肋的橫向剛度。

(2) 因主橋各片主拱肋之間采用鋼管進(jìn)行連接，鋼管剛度較小，因此本橋基頻周期較長(zhǎng)，達(dá)到3.8s，基頻較低，為0.258Hz，遠(yuǎn)小于一般的剛性橋梁結(jié)構(gòu)，但是其面內(nèi)和面外的第一階頻率都大于大跨柔性橋梁結(jié)構(gòu)。表明大跨度鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性有其自身特點(diǎn)，屬于中等柔性結(jié)構(gòu)。

(3) 橫撐的設(shè)置使拱肋的橫向整體剛度增加，進(jìn)而提高了主拱肋的整體面外穩(wěn)定性。

(4) 各立柱截面相同，1號(hào)立柱和14號(hào)立柱高度較高，相應(yīng)地，1號(hào)立柱和14號(hào)立柱長(zhǎng)細(xì)比較大，所以第六階振動(dòng)為這兩立柱的局部振動(dòng)，建議在1號(hào)、2號(hào)、13號(hào)、14號(hào)立柱間添加橫撐，提高這四根立柱的穩(wěn)定性。

(5) 上承式橋型主拱圈與橋面系通過(guò)鋼立柱連接，主拱圈與橋面振動(dòng)呈現(xiàn)出一致性。

(6) 人體對(duì)振動(dòng)感覺(jué)比較敏感的頻率范圍是2Hz～6Hz，從表2中可以看出前6階頻率都不在這個(gè)范圍之內(nèi)，所以不會(huì)使司機(jī)和乘客感覺(jué)到有明顯的振感，具有較好的行車舒適性。

5 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

地震是一種破壞力巨大而又難于預(yù)測(cè)的自然災(zāi)害?；谠摌蚩拐鹪O(shè)計(jì)的要求，通過(guò)對(duì)該橋各關(guān)鍵構(gòu)件在不同水平地震作用下的地震響應(yīng)特性進(jìn)行反應(yīng)譜分析，獲得結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的應(yīng)力值，該橋主要構(gòu)件在E1、E2地震作用下的應(yīng)力如表3～表6所示，其中4種荷載工況依次為E1橫向地震+恒載、E1縱向地震+恒載、E2橫向地震+恒載、E2縱向地震+恒載。

表3 E1橫向地震作用下結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件應(yīng)力值

注：表中數(shù)據(jù)負(fù)值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力。下表同。

表4 E1縱向地震作用下結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件應(yīng)力值

表5 E2橫向地震作用下結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件應(yīng)力值

表6 E2縱向地震作用下結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件應(yīng)力值

通過(guò)MIDAS/Civil分析計(jì)算，結(jié)合表3～表6可以看出：

(1) 在縱向地震作用下，各構(gòu)件應(yīng)力相對(duì)較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照規(guī)范要求進(jìn)行相應(yīng)抗震設(shè)計(jì)。

(2) 采用不同的抗震設(shè)防類別E1、E2地震作用，拱肋構(gòu)件應(yīng)力變化不大，腹桿、斜撐以及拱上立柱等構(gòu)件應(yīng)力變化較大。

(3) 對(duì)于不同的抗震設(shè)防類別E1、E2地震，不同的地震輸入方向(縱、橫向地震)對(duì)拱肋構(gòu)件應(yīng)力影響不大。

(4) 對(duì)于不同的抗震設(shè)防類別E1、E2地震，不同的地震輸入方向(縱、橫向地震)對(duì)腹桿、斜撐以及拱上立柱等構(gòu)件影響較大。

(5) 拱肋抗震設(shè)計(jì)最危險(xiǎn)截面是拱腳截面，地震反應(yīng)內(nèi)力最大，且內(nèi)側(cè)拱肋大于外側(cè)拱肋，這一點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

(6) 抗震驗(yàn)算結(jié)果表明，在E1、E2地震作用下，橋梁各構(gòu)件均處于彈性工作狀態(tài)，該橋各控制截面承載能力均能滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于反應(yīng)譜分析方法，利用MIDAS/Civil橋梁專用有限元軟件對(duì)某大跨上承式鋼管混凝土拱橋地震響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析模型結(jié)果表明：

(1) 該大跨上承式鋼管混凝土拱橋具有良好的抗震性能，在該地震區(qū)選擇這種結(jié)構(gòu)滿足安全性要求。

(2) 上承式鋼管混凝土拱橋振型比較復(fù)雜，主要包括拱肋與橋面的面外、面內(nèi)豎彎及扭轉(zhuǎn)，面外剛度小，面外的穩(wěn)定問(wèn)題突出。

(3) 在地震作用下，鋼管混凝土拱橋最危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)部位是拱腳部分，設(shè)計(jì)中應(yīng)在這些部位采取加強(qiáng)措施。

[1] 李俊保，王延杰.我國(guó)鋼管混凝土拱橋發(fā)展情況分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014(24):237．

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Analysis of Seismic Response of Long-span Top-bear Arch Bridge with Concrete Filled Steel Tubes

YIN Zhiyu

(ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In order to study the seismic response characteristics of long-span top-bear arch bridge with concrete filled steel tubes (CFST), the Midas/civil which is specially designed for bridge analysis was employed to develop the spatial finite element analysis model of a long-span arch bridge with CFST according to the design drawing and ground motion parameters of engineering field. The theory of response spectrum was then adopted to thoroughly determine the dynamic response properties of this bridge under the E1 and E2 seismic action. The results indicate that due to the out-plane stiffness of main arch ribs of this bridge is relatively small, the first-order vibration shows an vibration transverse to the bridge, and the cycle of fundamental frequency is a bit long because of the weak connections between main arch ribs. To some extent the cross struts can enhance the out-plane global stability. the key components of the bridge are all in elastic state and can consistently meet the requirements of anti-seismic design under these two kinds of earthquake actions.

arch bridge with concrete filled steel tubes (CFST); top-bear arch bridge; dynamic characteristics; seismic response characteristics; response spectrum analysis; earthquake fortification level

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.025

2016-12-08

2017-02-10

尹志雨(1985—)，男，河南南樂(lè)人，工程師，主要從事公路勘察設(shè)計(jì)工作。E-mail:646461088@qq.com

U442

A

1672—1144(2017)02—0128—05