鋼管混凝土拱橋抗震設(shè)計(jì)分析

許振

摘要：本文以某下承式鋼管混凝土平行系桿拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立空間結(jié)構(gòu)有限元模型。在反應(yīng)譜法顯示，在橫向地震作用下，截面出現(xiàn)較大的橫向位移，三向地震力作用下截面的最大位移為跨中橫撐處的橫向位移，同時(shí)最大軸力也出現(xiàn)在跨中橫撐處。時(shí)程分析法表明，三向地震力作用下，內(nèi)力和位移響應(yīng)與反應(yīng)譜分析法結(jié)果相同。本文以某座下承式鋼管混凝土平行系桿拱橋?yàn)槔捎糜邢拊治鲕浖?duì)其進(jìn)行自振特性分析、反應(yīng)譜分析與時(shí)程分析，得到拱橋在地震力作用下的自振特性、最大位移和內(nèi)力響應(yīng)部位。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;拱橋;地震響應(yīng);反應(yīng)譜分析;時(shí)程分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TV544+.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-9129（2018）06-0206-02

Seismic Design Analysis of Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge

XU Zhen*

（Harbin Electric International Engineering Co.， Ltd.， Heilongjiang Harbin， 150028， China）

Abstract： In this paper， a finite element model of space structure is established based on the engineering background of a through concrete filled steel tubular parallel tied arch bridge. The response spectrum method shows that under the action of lateral earthquake， the cross-section has a large transverse displacement， and the maximum displacement of the cross-section under the action of three-direction earthquake force is the transverse displacement of the mid-span transverse brace， and the maximum axial force also appears at the mid-span transverse brace. Time history analysis shows that the response of internal force and displacement is the same as that of response spectrum analysis. In this paper， a through concrete filled steel tube parallel tied arch bridge is used as an example to analyze the natural vibration characteristics， response spectrum and time history of the bridge by using the finite element analysis software. The natural vibration characteristics， the maximum displacement and the internal force response location of the arch bridge under the action of the earth's earthquake force are obtained.

Keywords： Concrete-filled steel tube; arch bridge; seismic response; response spectrum analysis; time history analysis

引用：許振. 鋼管混凝土拱橋抗震設(shè)計(jì)分析[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì)， 2018， 7（6）： 206-206.

Cite：XU Zhen. Seismic Design Analysis of Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge[J]. Peak Data Science， 2018， 7（6）： 206-206.

引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，由于混凝土的填充延緩了鋼管的局部屈曲，而鋼管對(duì)混凝土的環(huán)向約束作用提高了混凝土受壓強(qiáng)度，故鋼管混凝土應(yīng)用于受壓構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)頗為明顯。同時(shí)它也具有承載能力高、抗震性能好、施工便利、自重輕以及耐火性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。然而由于它具有面外剛度偏弱，拱肋重心較高的特點(diǎn)，故在地震作用下反應(yīng)較敏感，隨著跨徑的增大，其動(dòng)力問(wèn)題也越來(lái)越突出，因此鋼管混凝土的抗震研究需引起特別重視。

1? 有限元模型建立

該拱橋全長(zhǎng)96m，橋梁全寬17.1m，拱肋全長(zhǎng)100m，矢跨比為l/5，拱肋平面內(nèi)矢高19.2m，拱肋采用懸鏈線線性的雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，高3.0m，鋼管直徑1000mm，鋼管及連接腹板厚度均為16mm。主梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁寬17.1m，高2.5m，底板厚度為30cm，頂板厚度為30cm，邊腹板厚度為35cm，中腹板厚度為30cm。全橋可分為拱肋、橫撐、系梁、吊桿等部分。

2? 動(dòng)力特性分析

在空間動(dòng)力特性分析中，一般前幾階自振頻率和其相應(yīng)振型特征起到控制作用，因此分析該拱橋的前10階振型特征。前三階振型特征橋梁結(jié)構(gòu)面外穩(wěn)定性要弱于面內(nèi)，側(cè)向振動(dòng)影響要強(qiáng)于面內(nèi)豎向振動(dòng)，拱橋面外抗彎剛度弱于面內(nèi)。由第一、三階陣型特征分析可知在地震作用下，兩拱肋之間的相對(duì)橫線位移很小。同時(shí)，主拱肋的豎向位移越靠近跨中，其值越小也在第二陣型中有所表現(xiàn)。

綜合前十階振型，拱肋未發(fā)生扭轉(zhuǎn)，說(shuō)明其抗扭剛度較大，易滿(mǎn)足剛度要求。在第九階振型中，出現(xiàn)橋面系一階反對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)對(duì)拱橋產(chǎn)生的影響較大。對(duì)于面內(nèi)振型，因拱肋與橋面系的重力方向一致，橋面系與拱肋的振動(dòng)基本同振型。

3? 地震反應(yīng)分析

3.1? 反應(yīng)譜分析

根據(jù)動(dòng)力特性分析結(jié)果，對(duì)該下承式拱橋的動(dòng)力計(jì)算模型分別單獨(dú)考慮三個(gè)方向的地震作用，取前200階振型進(jìn)行疊加，得到三個(gè)方向單獨(dú)作用下反應(yīng)譜分析結(jié)果并進(jìn)行地震荷載組合，得到最大地震作用。

由計(jì)算結(jié)果，對(duì)其主要截面進(jìn)行結(jié)果分析，圖1為單向和三向正交分量獨(dú)立作用下主拱截面三向位移峰值，并按受力效應(yīng)組合公式將三向正交分量進(jìn)行組合。

由圖1可知截面的縱向位移和豎向位移在三個(gè)方向的地震作用下均較小，最大值為9.3mm。同時(shí)橫向位移在縱向和豎向地震作用下最大值僅為6.4mm，特別是在豎向地震作用下，截面的橫向位移幾乎可以忽略不計(jì)，但在橫向地震作用下，截面出現(xiàn)較大的橫向位移，最大值位置在跨中橫撐處，計(jì)算分析為47.0mm。在三向地震力作用下，截面最大位移為跨中橫撐處的橫向位移，其值高達(dá)47.4mm;由于拱橋第一階陣型為主拱肋一階對(duì)稱(chēng)側(cè)彎，故其在地震作用下橫向位移響應(yīng)明顯，越靠近跨中處，位移響應(yīng)越大，且橫向地震作用為最不利作用。

3.2? 時(shí)程分析

對(duì)于一般橋梁采用振型疊加法;對(duì)于大跨度橋梁采用時(shí)程積分法。

地震波在不同場(chǎng)地類(lèi)型的土層中傳播時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)造成的振動(dòng)響應(yīng)也不同，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，需根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的場(chǎng)地類(lèi)型，選擇合理的地震波進(jìn)行輸入。本文采用方法是相同場(chǎng)地類(lèi)型下，已觀測(cè)到其他地區(qū)的地震記錄作為輸入地震波。當(dāng)結(jié)構(gòu)所在的地區(qū)缺乏強(qiáng)震觀測(cè)的地震記錄時(shí)，可根據(jù)規(guī)范規(guī)定的該地區(qū)最大加速度和卓越周期，對(duì)已有的地震記錄進(jìn)行線性放縮。本文選取El-CENTRO地震記錄峰值較大的一段0～20s進(jìn)行分析。地震輸入分別從三個(gè)方向（橋梁縱、橫、豎向） 輸入進(jìn)行計(jì)算，加速度峰值取0.1g，計(jì)算中取步長(zhǎng)0.02s，共1000步，總時(shí)間長(zhǎng)20.00s。其三向加速度波形如圖2所示。

在三向地震力作用下，縱向位移和豎向位移在地震作用下較小，最大值分別為1.47mm和1.72mm;而橫向位移最值較大，最大值為14.3mm，與反應(yīng)譜分析結(jié)果類(lèi)似。在三向地震力作用下，拱肋關(guān)鍵截面橫向位移跨中橫撐比2#K撐大，而2#K撐比1#K撐大，即越靠近跨中位置，橫向位移越大。在三向地震力作用下，截面最大軸力峰值出現(xiàn)在跨中橫撐處，為633.2kN，截面最大彎矩和剪力出現(xiàn)在1#K撐處，分別為295.6kN·m（平面內(nèi)彎矩）、109.3kN·m（平面外彎矩）、502.9kN（平面內(nèi)剪力）以及946.0 kN（平面外剪力）。在三向地震力作用下，拱肋關(guān)鍵截面軸力跨中橫截面比2#K撐大，而2#撐比1#撐大，而彎矩和剪力大小順序與軸力相反。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

（1）反應(yīng)譜和時(shí)程分析位移響應(yīng)結(jié)果分析表明，在三向地震力作用下，截面縱向和豎向位移均較小;在縱向和豎向地震作用下橫向位移也很小，但在橫向地震作用下，截面出現(xiàn)較大的橫向位移。截面最大位移為跨中橫撐處的橫向位移，拱肋關(guān)鍵截面越靠近跨中位置，橫向位移越大。

（2）反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，兩種方法在分析截面位移內(nèi)力值時(shí)不同，但兩種方法在確定截面位移和內(nèi)力最值位置的結(jié)論一致，根據(jù)不同的情況可以選擇不同的方法進(jìn)行抗震研究分析。

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