上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应分析.doc

公 路 交 通 科 技 第 卷上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应分析张波1， 李术才1，杨学英2，孙国富1，葛颜慧1，魏建军3，李传夫1（山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061） (山东城市建设职业学院，山东 济南 250014) (中国矿业大学，江苏 徐州 221008）摘要：为研究上承式大跨度钢管混凝土拱桥的地震反应性能，以大型有限元计算软件ANSYS为平台，分别以纵向+竖向和横向+竖向迁安波与EI Centro波作为输入地震波，对跨径为430m的上承式钢管混凝土拱桥支井河特大桥进行了地震反应分析。研究结果表明：前10阶振动以侧向振动为主，表明桥纵向刚度远大于侧向刚度；拱肋抗震设计最危险截面是拱脚截面，地震反应内力最大；横向竖向地震动输入时拱肋轴力及弯矩Mz略大于纵向竖向地震动输入时，相差幅度不大，但横向竖向地震动输入时弯矩My远大于纵向竖向地震动输入；在横向竖向地震动输入下最危险截面拱脚处的地震反应轴力内侧拱肋大于外侧拱肋。关键词：桥梁工程; 地震反应分析; ANSYS; 上承式钢管混凝土拱桥; 支井河特大桥中图分类号：U448.22 文献标识码 ：AThe Seismic Response Analysis of Deck-type Long-Span CFST Arch BridgeZHANG Bo1, Li Shu-cai1, YANG Xue-ying2, SUN Guo-fu 1,GE Yan-hui 1, WEI Jian-jun3, LI Chuan-fu1(Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061,China) (Shandong Urban Construction Vocational College,Jinan 250014，China) (China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221008, China)Abstract: In order to study the seismic response of deck-type long span CFST(concrete filled steel tube) arch bridge, the deck-type CFST arch bridgeZhijinghe Great Bridge with 430m span was analyzed with computation program ANSYS, which the Qianan seismic wave and EI Centro wave were taken as the input waves. The results show that most vibrations in the first 10 steps are in the cross direction of bridge which indicates that stiffness in lengthwise direction of bridge is larger than that in cross direction of bridge. The section at arch springing is the most dangerous section in seismic response which has the largest seismic response member forces. Although the axial-force and moment Mz of arch rib with cross + vertical directions input seismic waves are a little larger than those with lengthwise + vertical directions input seismic waves, the moment My with cross + vertical directions input seismic waves are more larger than those with lengthwise + vertical directions input seismic waves. The axial-forces of inner arch rib at the most dangerous sectionarch springing with cross + vertical directions input seismic waves are larger than those of out arch rib. Keywords: bridge engineering; seismic response analysis; ANSYS; deck-type CFST arch bridge; zhijing river great bridge0引言钢管混凝土拱桥的首次应用是1937年前苏联在列宁格勒用集束小直径钢管混凝土做拱肋建造了跨经为110m的拱梁组合桥，自从1990年我国建成第一座钢管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥(主桥全长244.03m)以来，钢管混凝土拱桥在我国得到了迅猛发展，如万县长江公路大桥(主跨420m，全长856m),广州丫髻沙大桥(全长512m),巫峡长江大桥(主跨460m),南县茅草街大桥(跨径356m)等。钢管混凝土拱桥的一个优点就是跨度大，这就给桥的抗震设计提出了更高的要求，我国公路抗震设计规范1 规定只适用于主跨不超过150m的梁桥和拱桥，对特殊抗震要求的建筑物和结构应进行专门研究设计。许多文章对钢管混凝土拱桥的抗震性能进行了分析2-8，但目前对跨度超过400m的大跨度钢管混凝土拱桥抗震反应研究，主要以中承式和下承式拱桥为主，对上承式大跨度钢管混凝土拱桥的研究尚不多。本文以正在建设中的跨径为430m的上承式钢管混凝土拱桥支井河特大桥为例，对上乘式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应进行了研究，得出了一些有益的结论，对上承式大跨度钢管混凝土拱桥的抗震研究及设计有一定的帮助。1地震响应计算方法在地震作用下,多自由度结构的运动方程为： (1)式中: 和分别为结构的总质量矩阵、总阻尼矩阵、总刚度矩阵；和分别为结构位移列向量、速度列向量、加速度列向量；为地面运动加速度列向量，参考文2-6,结构阻尼比本文取。在大跨度拱桥的计算中时程积分法是一种常用的方法,本文采用法,在法中，将动力方程式(1)写为增量形式：(2)设： (3) (4)法的关键在于的取值，当满足时，法是无条件稳定的，本文取。2 工程概况 支井河特大桥位于巴东县野三关镇支井河村一组，沪蓉国道主干线湖北省宜昌至恩施高速公路榔坪高坪段，全桥长545米，主拱计算跨径430米，计算矢高78.18米，矢跨比为1/5.5，两个拱肋拱脚和拱顶的中心距离均为13米，同类型拱桥中跨度属世界之最。主拱圈断面采用钢管砼与钢管组成的桁架式断面，断面高度从拱顶6.5米变化到拱脚13.0米。拱肋宽度为4.0米。主拱圈钢管外径1200毫米，管壁厚度：下弦拱脚1/8跨为35毫米，1/82/8跨径为30毫米，其余下弦及上弦管均为24毫米。钢管内填充50号高强砼。拱上立柱盖梁采用加劲钢箱结构。3 计算模型采用有限元计算软件ANSYS进行计算，梁单元Beam188模拟拱肋、桥面箱梁，横撑用Beam44单元模拟，拱脚固结，不考虑结构地基相互作用，计算模型如图1所示。在ANSYS坐标系中，x轴为纵桥向，y轴为竖直向，z轴为横桥向。钢管混凝土主拱肋是由钢管内混凝土和钢管组成的杆系结构，在计算时现在一般有两种方法来处理：双单元法，即将钢管和混凝土作为两根杆件来计算，保证其节点坐标相同；换算截面法，将钢和混凝土换算成一种材料来计算。本文采用双单元法模拟拱肋。结构材料参数：钢材，钢管内混凝土，本文所有材料都在弹性范围内计算。图1 支井河特大桥计算模型Fig.1 Computation model of Zhijinghe Great Bridge4 自振特性分析对支井河特大桥进行模态分析，计算结果见表1。表1 支井河特大桥模态分析结果Table1 Modal analysis results of Zhijinghe Great Bridge阶次频率/Hz振动情况10.130对称侧弯20.239反对称侧弯30.328正对称侧弯40.403反对称侧弯50.434反对称竖弯60.505正对称侧弯70.621反对称侧弯80.680正对称竖弯90.697扭转100.729反对称侧弯扭转由表1可以看出，前10阶振动以侧向振动为主，表明桥纵向刚度远大于侧向刚度。5 地震时程分析动态时程分析法是随着强震记录的增多和计算机技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细地震分析方法。目前，大多数国家除对常用的中小跨度桥梁仍采用反应谱法计算外，对重要、复杂、大跨的桥梁抗震计算都建议采用动态时程分析法10-12，本文采用动态时程分析法对支井河特大桥进行地震反应分析。本文分别取迁安波与EI Centro波为输入地震波，其最大水平加速度调整为0.2g,最大竖向加速度调整为0.12g，地震动输入分别采用横桥向+竖向、纵桥向+竖向两种输入方式，输入地震波加速度时程图见图2、图3。地震输入下拱肋的地震反应内力及位移结果见图4图10。图2 迁安波水平加速度时程Fig2 Horizontal acceleration time-history of qianan wave图3 EI Centro波水平加速度时程Fig.3 Horizontal acceleration time-history of EI Centro wave图4 拱肋轴力包络图Fig.4 Axial force Envelope of arch rib 图5 拱肋弯矩My包络图Fig.5 Moment My envelope of arch rib图6 拱肋弯矩Mz包络图Fig.6 Moment Mz envelope of arch rib 图7 横向竖向地震动输入时内外侧拱肋轴力包络图Fig.7 Axial force envelope of inner and out arch rib with transverse + vertical direction input seismic waves图8 纵向竖向地震动输入时内外侧拱肋轴力包络图Fig.8 Axial force envelope of inner and out arch rib with longitudinal + vertical direction input seismic waves图9 在横向竖向地震动输入时内外侧拱肋拱脚截面轴力地震反应时程Fig.9 The seismic response axial force time history of arch rib spring cross sections with transverse + vertical direction input seismic waves图10 在纵向竖向地震动输入时内外侧拱肋拱脚截面轴力地震反应时程Fig.10 The seismic response axial force time history of arch rib spring cross sections with longitudinal + vertical direction input seismic waves 由图4-图6可以看出，拱肋抗震设计最危险截面是拱脚截面，地震反应内力最大；横向竖向地震动输入时拱肋轴力及弯矩Mz略大于纵向竖向地震动输入时，相差幅度不大，但横向竖向地震动输入时弯矩My远大于纵向竖向地震动输入。由图7图10可以看出，在纵向竖向地震动输入时内外侧拱肋轴力非常接近，而在横向竖向地震动输入下最危险截面拱脚处的地震反应轴力内侧拱肋大于外侧拱肋，这一点抗震设计时应注意。6 结论以大型计算软件ANSYS为平台，对上承式钢管混凝土拱桥支井河特大桥进行了地震反应分析，以适于一类场地的迁安波为输入地震动，经过计算，得出如下结论：1、 前10阶振动以侧向振动为主，表明桥纵向刚度远大于侧向刚度。2、 拱肋抗震设计最危险截面是拱脚截面，地震反应内力最大。3、 横向竖向地震动输入引起的拱脚处地震响应内力大于纵向竖向地震动输入引起的地震响应内力。4、 横向竖向地震动输入时拱肋地震反应轴力及弯矩Mz略大于纵向竖向地震动输入时，相差幅度不大，但横向竖向地震动输入时拱肋弯矩My远大于纵向竖向地震动输入。5、 纵向竖向地震动输入时内外侧拱肋轴力非常接近，而在横向竖向地震动输入下最危险截面拱脚处的地震反应轴力内侧拱肋大于外侧拱肋。 参考文献1 中华人民共和国交通部.JTJ 004-89 公路工程抗震设计规范S. 北京：人民交通出版社，1989.P.R.China.Ministry of Communications. JTJ 004-89, Design Specification for Seismic Design of HighwaysS.Beijing: China Communications Press,1989.2 郑史雄，周述华，丁桂保.大跨度钢管混凝土拱桥的地震反应性能J.西南交通大学学报，1999，34(3):320-324. ZHENG Shixiong, ZHOU Shuhua, DING Guibao. The Seismic Response Behavior of Long Span CFST Arch BridgeJ. Journal of Southwest Jiaotong University,1999,34(3):320-324.3 赵灿晖，周志祥.大跨度钢管混凝土拱桥非线性地震响应分析J.重庆建筑大学学报，2006，28(2):47-51. ZHAO Canhui,ZHOU Zhixiang.Nonlinear Seismic Response Analysis of Long-Span CFST Arch Bridge J.Journal of Chongqing Jianzhu University, 2006,28(2):47-51.4 苏虹，胡世德.钢管混凝土拱桥的地震响应分析方法J.同济大学学报，2003，31(4):404-407. SU Hong,HU Shide.Methods of Seismic Response Analysis of Concrete-Filled-Tube Arch Bridges J.Journal of Tongji University, 2003,31 (4):404-407.5 孙潮，吴庆雄，陈宝春.钢管混凝土拱桥车振性能分析J.公路交通科技，2007，9(12)：73-76.SUN Chao, WU Qingxiong, CHEN Baochun. Analysis on Dynamic Behavior of Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge under Vehicle Moving LoadsJ. Journal of Highway and Transportation Research and Developm- ent,2007,9(12):73-76. 6 赵河清, 徐亮, 杨惠林等. 大跨度上承式钢管混凝土拱桥的稳定性分析J.公路交通科技，2006，23(11):82-85. ZHAO HeOqing , XU Liang , YANG Huilin. Stability Analysis of Long-Span Deck-type CFST Arch BridgeJ.Journal of Highway and Transportation Research and Development,2006,23(11):82-85.7 李睿，叶燎原，陈瑛.城市特宽拱桥的空间静动力有限元分析J.公路交通科技，2007，12(10)：61-65.LI Rui, YE Liaoyuan, CHEN Ying. Static and Dynamic Spatial Analysis of Super-wide Arch Bridge Using Finite Element Method J. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2007, 12(10)：61-65.8 周劲草,严志刚,盛洪飞.大跨度中承式钢管混凝土拱桥的面内动力特性分析J.公路交通科技,2005，22(9):87-89.ZHOU Jincao, YAN Zhigang, SHENG Hongfei. Planar Dynamic Characteristics Analysis for Long-span Semi-Supported CFST ARCH Bridges J. Journal of Highway and Transportation Research and Developme- nt,2005,22(9): 87-89.