大跨度鋼管混凝土拱橋的抗震分析

汪珺 汪繼志

摘要：鋼管混凝土拱橋具有跨越能力大、強(qiáng)度高、重量輕、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國公路橋梁建設(shè)中如異軍突起，發(fā)展迅速。隨著跨度的增大，研究其動力特性及抗震性能是十分必要的目前鋼管混凝土拱橋的抗震理論研究尚屬起步階段，在工程實(shí)踐中并無系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體系，沒有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范；同時鑒于鋼管混凝土拱橋?qū)儆谛聵蛐停裆袩o經(jīng)歷過強(qiáng)震考驗(yàn)的實(shí)例，對其經(jīng)歷地震作用的認(rèn)識還十分有限。因此，進(jìn)行鋼管混凝土拱橋抗震性能研究，建立完善的動力分析方法，確定科學(xué)的抗震設(shè)計(jì)原則是一項(xiàng)緊迫的工作。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；反應(yīng)譜分析；抗震設(shè)計(jì)

1.鋼管混凝土拱橋抗震分析的意義

我國是一個地震多發(fā)國家，人民的生命財產(chǎn)長期受到地震災(zāi)害的威脅。僅1976年的唐山大地震（震級M7.8級）就造成24萬居民死亡，這在近代的地震歷史中是十分罕見的大災(zāi)難；2008年5月12日14時28分04秒，四川汶川發(fā)生了震級M8.0級的大地震，地震造成67551人死亡，18209人失蹤，374176人受傷。為了減少地震造成的損失，土木工程結(jié)構(gòu)必須具有足夠的抗震能力。橋梁作為道路的重要組成部分，其抗震能力得到了學(xué)者們的普遍關(guān)注。鋼管混凝土拱橋具有跨越能力大，受力性能優(yōu)越等縱多特點(diǎn)，是大跨度橋梁中常見的橋型之一，自1990年四川旺蒼東河大橋建設(shè)以來，我國的鋼管混凝土拱橋數(shù)量達(dá)到200余座。對大跨度鋼管混凝土拱橋的抗震性能進(jìn)行深入分析具有重大意義。

2.大跨度鋼管混凝拱橋特點(diǎn)

大跨度鋼管混凝土系桿拱橋兼有鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和系桿拱橋的特點(diǎn)：作為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，因鋼管內(nèi)填充了混凝土，增加了鋼管壁受壓時的穩(wěn)定性，而且鋼管壁對混凝土起套箍作用，使管內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，充分發(fā)揮了混凝土的抗壓強(qiáng)度、提高了混凝土的延性；作為系桿拱橋，系桿拱組合體系將拱肋的推力傳給系桿，使體系成為外部靜定、內(nèi)部超靜定的結(jié)構(gòu)，系桿和拱肋均有一定的剛度，荷載引起的彎矩在系桿與拱肋之間按剛度分配，它們共同承擔(dān)體系的軸力和彎矩。

系桿拱橋主要分為有推力和無推力組合體系，無推力系桿拱橋能夠較好地適應(yīng)不良地層和具有較小的建筑高度，主要由拱助、吊桿、系桿（梁）三部份組成。根據(jù)上下部分結(jié)構(gòu)的聯(lián)接方式，系桿拱又可分為兩種，一種是上下部之間剛接，一種是簡支

3.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法

橋梁抗震設(shè)計(jì)中地震響應(yīng)計(jì)算方法從靜力計(jì)算方法向動力計(jì)算方法轉(zhuǎn)變，隨著計(jì)算 機(jī)的發(fā)展和普及以及橋梁結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜化、多樣化，有限單元數(shù)值計(jì)算方法成為橋梁結(jié)構(gòu)動力分析的主流。地震響應(yīng)計(jì)算方法隨著抗震思路的發(fā)展而發(fā)展。地震響應(yīng)分析方法可以分為靜力理論和動力理論兩大類。

1.1靜力理論

靜力理論創(chuàng)始于意大利，發(fā)展于日本。1900年左右，日本學(xué)者大森房吉、佐野利器等對其發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。靜力理論認(rèn)為，結(jié)構(gòu)物是剛體，其最大加速度等于地震動最大加速度，由于靜力理論的力學(xué)概念明確，計(jì)算簡便，幾十年來一直受到重視。但是結(jié)構(gòu)物并不是絕對剛性的，而是可變形的，所以在地震發(fā)生時不同高程的結(jié)構(gòu)物反應(yīng)加速度與其基礎(chǔ)的反應(yīng)加速度不盡相同。靜力理論沒有考慮結(jié)構(gòu)的動力特性和場地差別對建筑結(jié)構(gòu)的影響，這種設(shè)計(jì)方法比較粗略。

1.2反應(yīng)譜理論

1940年，美國的Biot教授提出了彈性反應(yīng)譜的概念，反應(yīng)譜是單自由度彈性體系在獲取的眾多地震記錄的激勵下，結(jié)構(gòu)周期與響應(yīng)之間的關(guān)系，包括加速度反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜。它綜合考慮了結(jié)構(gòu)的動力特性，至今仍然是各國規(guī)范設(shè)計(jì)地震力取值的基礎(chǔ)。下面重點(diǎn)介紹單自由度結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜理論。反應(yīng)譜基本原理：反應(yīng)譜分析法有以下假定：結(jié)構(gòu)支承處所受的激勵是一致的；結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)是線性的；結(jié)構(gòu)物的最大地震響應(yīng)視為其最不利地震響應(yīng)，與其它動力響應(yīng)參數(shù)無關(guān)。

反應(yīng)譜分析是一種快捷有效的地震反應(yīng)分析方法，在我國現(xiàn)行的公路、鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)中得到了廣泛運(yùn)用。通過用加速度反應(yīng)譜分析進(jìn)行該橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算，證明該橋能抵抗0.05g的地震強(qiáng)度，橋梁的設(shè)計(jì)滿足抗震設(shè)防要求。橋梁第1階振型為拱肋橫彎，第2階振型為拱肋和系梁縱向彎曲，第3階振型才是豎向撓曲，因此對車震反應(yīng)不會太激烈，有利于橋梁的運(yùn)營。

2.鋼管混凝土系桿拱橋地震反應(yīng)譜分析

2.1橋梁基本概況

某鐵路線上一拱肋截面為啞鈴型的鋼管混凝土系桿拱橋計(jì)算跨徑128m，主梁全長132m，主橋位于半徑為3500m的圓曲線上，線路縱坡5‰。外視距為62cm，由超高引起曲線內(nèi)側(cè)限界加寬值56cm，曲線外側(cè)限界加寬值2cm，曲線總加寬值為120cm。

2.2根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，要對該拱橋進(jìn)行地震反應(yīng)分析。包含地震力的荷載組合如下：恒載（含二期恒載）+混凝土收縮、徐變+地震力

2.3有限元模型基本概況

利用ANSYS進(jìn)行分析，拱肋混凝土、拱腳加強(qiáng)混凝土和系梁混凝土采用SOLID45實(shí)體單元，拱肋鋼管采用SHELL63殼單元，吊桿和預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8只受拉桿單元，橫向聯(lián)系采用beam44三維空間梁單元。橫聯(lián)與拱肋、吊桿與拱肋、吊桿與系梁之間的連接采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合的方法實(shí)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)也采用自由度耦合的辦法實(shí)現(xiàn)。

拱肋混凝土劃分30912個實(shí)體單元，拱腳加強(qiáng)混凝土和系梁混凝土劃分73872個實(shí)體單元，拱肋鋼管劃分11488個殼單元，吊桿劃分28個桿單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋劃分4756個桿單元，橫聯(lián)劃分108個梁單元。全橋共計(jì)121164個單元、97777個節(jié)點(diǎn)。橋梁模型以X軸為縱橋向，Y軸為橫橋向，Z負(fù)軸方向?yàn)橹亓Ψ较?。橋梁中心位于全局笛卡爾坐?biāo)系原點(diǎn)。模型采用的單位系統(tǒng)為kg-m-s。橋梁模型的邊界采用簡支形式。有限元模型根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑牡鯒U初始張拉力施加于吊桿單元上。結(jié)構(gòu)動力分析考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。二期恒載則通過修改橋面單元的密度來實(shí)現(xiàn)其參與結(jié)構(gòu)的振動。

2.4有限元模型中僅考慮鋼筋與管道之間的摩阻損失和錨頭變形、鋼筋回縮的接縫壓縮損失、應(yīng)力松弛損失和混凝土徐變收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失共4種情況。

2.5張拉時，由于鋼筋與管道間的摩擦引起的應(yīng)力損失按規(guī)范計(jì)算，用APDL語言編制程序段實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼筋不同位置的不同損失值。

2.6反應(yīng)譜分析結(jié)果

做好模態(tài)分析后，即可進(jìn)行反應(yīng)譜分析。根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定加速度反應(yīng)譜值，然后用SRSS法做譜分析。

3.結(jié)論

總之，大跨度鋼管混凝拱橋拱橋的抗震好壞直接影響著國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，同時，也密切關(guān)系著廣大人民的生命財產(chǎn)安全。只要我們在工程中加強(qiáng)各個環(huán)節(jié)的施工技術(shù)，就可以最大程度地保障鋼管混凝土系桿拱橋的質(zhì)量安全。這也對我國高層建筑的發(fā)展、優(yōu)化和改善抗震性能，都將具有極其重要的意義。

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