上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应分析

《上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应分析（12页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应分析 第 卷 第 期 公 路 交 通 科 技 Vol. No. 200 年 月 Journal of Highway and Transportation Research and Development . 200 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 ANSY

2、S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

3、承式钢管混凝土拱桥 ; 支 井河特大桥 文献标识码 中图分类号： U448.22 A The Seismic Response Analysis of Deck-type Long-Span CFST Arch Bridge ZHANG 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 25

4、0061,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 bridge —Z

5、hijinghe 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 lengthw

6、ise 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 se

7、ismic 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 mo

8、st dangerous section —arch 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 bridge 0 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

9、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 收稿日期： 2008年 3月22日 基金项目：国家杰

10、出青年基金 （A 类），基金编号： 50625927. 作者简介：张波 （1977– ），男，山东淄博人，博士研究生，主要研究 方向为大跨度桥梁与桥基相互作用， E-mail：。 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： [M]{???}?[C]{??}?[K]{?}?[M]{???g } (1) 式中 : [M],[C] 和[K] 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； {???g }为地面运动加速度列向量，参考文 [2-6], 结构阻尼比本文取 ?i??j?2%

11、。 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 Newma ?r?k法,在 Newmark??法中，将动力方程式 (1)写为增量形 式： [M]{????}?[C]{???}?[K]{??}?[M]{????g }(2) 设： ?? ?(t)????(t)??t???????(t)??t (3) ??(t)?? ?(t)??t????(t)?(?t)2/2???????(t)(?t)2 (4) Newmark??法的关键在于 ?,? 的取值，当满足 ??1/2,???/2 时， Newmark??法是无条件稳定的，本文 取??0.5,??0.25。 2 工程概

12、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，1/8～2/8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。

13、 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：①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；②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 E?2.06e11Pa， ??0.3， ??7850kg

14、/m3 ，钢管内混凝土 E?3.45e10Pa，??0.167，??2400kg/m3， 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 Bridge 4 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 1 0.130 对称侧弯 2 0.239 反对称侧弯 3 0.328 正对称侧弯 4 0

15、.403 反对称侧弯 5 0.434 反对称竖弯 6 0.505 正对称侧弯 7 0.621 反对称侧 弯 8 0.680 正对称竖弯 9 0.697 扭转 10 0.729 反对称侧弯＋扭转 公 路 交 通 科 技 第 卷 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。 [10-12] ，本文采用动态时程分析法对支井河特大桥进本文分别取迁安波与 EI Centro 波为输入地震 行地震反应分析。 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

16、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。 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 图 2 迁安波水平加速度时程 Fig2 Horizontal acceleration time- history of qian ' an wave 图 3 EI Centro 波水平加速度时程 Fig.3 Horizontal accelerati

17、on 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 + vertic

18、al 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 wit

19、h 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

20、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

21、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 公 路 交 通 科 技 第 卷 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。 Element Method [J]. Journal of Highway and Transportat

22、ion 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 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 Highways[S]. Beijing: China Communications Press,198

23、9. [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 Bridge[J]. 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， 20

24、06，28(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 Concre

25、te-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 Loads[J]. Journal of H

26、ighway 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 Bridge[J].Journal of Highway and Transportation Research and Dev

27、elopment,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 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 Dynami

28、c 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. 李国毫 .桥梁结构稳定与振动 [M]. 北京：中国铁道出版 社， 1996：558-560. LI Guohao. Stabilization and Vibration of Bridge[M].Beijing: China Railway Publishing H

29、ouse,1996:558-560. 范立础，胡世德，叶爱君 .大跨度桥梁抗震设计 [M]. 北 京：人民交通出版社， 2004： 16-17. FAN Lichu, HU Shide, YE Aijun. The Earthquake-Resistance Design of Long-Span Bridge[M].Beijing: China Communications Press,2004:16-17. 黄福云，陈宝春 .钢管混凝土拱桥初应力问题 [J].公路 交通科技， 2006，23(11)： 68-72. HUANG Fuyun, CHEN Baochun. Review

30、 of Initial Stress on Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Developme- nt,2006,23(11):68-72. 马俊，盛洪飞，孙航 .钢管混凝土拱肋滞回性能非线性 有限元分析 [J].公路交通科技， 2006，23(8). MA Jun, SHENG Hongfei, SUN Hang. Nonlinear Finite Element Analysis of Hysteretic Behaviors for Concrete Filled Steel Tube Arches[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development,2006,23(8). [9][10][11][12]