大跨度上承式钢管混凝土拱桥地震响应分析

尹 志 雨

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)

大跨度上承式钢管混凝土拱桥地震响应分析

尹 志 雨

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)

为研究大跨度上承式钢管混凝土拱桥在地震作用下的动力响应特性，基于地震反应谱分析理论，根据设计图纸以及工程场地地震动参数等技术资料，采用MIDAS/Civil建立了某大跨钢管混凝土拱桥空间杆系有限元模型，对该桥在E1、E2地震作用下的结构响应进行了深入分析，结果表明：该桥主拱肋面外刚度相对较小，第一阶振动表现为横桥向振动；主拱肋之间的连接较弱导致基频周期较长；横撑的设置可在一定程度上提高主拱肋的面外整体稳定性；在E1、E2地震作用下，桥梁各关键构件均处于弹性工作状态，该桥满足抗震设计要求。

钢管混凝土拱桥；上承式拱桥；动力特性；地震响应特性；反应谱分析；抗震设防水平

钢管混凝土拱桥跨越能力强，结构形式多样，造型美观，该桥型的应用在我国得到了快速发展。据统计，从1990年在旺苍建成跨度115 m的国内第一座钢管混凝土拱桥至今，我国已建成的钢管混凝土拱桥超过400座，平均18座/年[1]。钢管混凝土拱桥一般跨度较大，结构横向刚度相对较弱，对其动力特性以及地震响应特性进行深入分析，对于确保该桥的抗震设计满足设计使用寿命期的要求以及提高桥梁结构自身的安全运营和可靠性具有极为重要的作用。张波等[2]、王沛耘[3]和赵雅丽[4]对于既有钢管混凝土拱桥的研究表明，该类型结构由于在结构组成体系、桥面宽度、支撑条件以及质量分布和工程所处场地等诸多方面存在差异，分析具体桥梁结构在地震作用下的响应有助于了解所设计结构的抗震性能，提高其抗震设防水平。本文以一座典型的上承式钢管混凝土拱桥为研究对象，基于反应谱分析理论[5-6]利用桥梁专用分析软件MIDAS/Civil对该拱桥结构的动力特性及地震响应进行了分析，以期为大跨度上承式钢管混凝土拱桥的抗震性能研究及同类型桥梁的设计提供参考。

1 工程概况

根据设计资料，该桥为一座典型的上承式钢管混凝土拱桥，主拱计算跨径为225 m，计算矢高45 m，矢跨比为1/5，设计荷载为公路-Ⅰ级，人群荷载3.0 kN/m2。主拱圈为变截面桁式断面，由钢管混凝土与钢管组成，拱顶断面高度5 m，拱脚断面高度9 m，两片拱肋中心间距为12.5 m，一片拱肋横向宽度为4.5 m，自拱脚至拱顶各段拱肋为1000×28(24、20) mm；拱上共设置14根立柱，截面为钢管，直径d=600 mm，壁厚t=16 mm；全桥在两片拱肋间设6道X撑，8道横撑，均为空钢管桁架。钢材为Q345，混凝土为C50。

2 有限元仿真分析模型的建立

基于空间杆系理论建立该上承式钢管混凝土拱桥的地震响应有限元动力仿真分析模型，如图1所示。与静力分析模型的区别是：不在于精细地模拟，而重点是要真实、准确地反映结构质量、结构及构件刚度、结构阻尼及边界条件。有限元分析模型中混凝土主梁采用梁单元模拟，拱肋及拱肋上的横撑、腹杆、立柱、盖梁均采用梁单元进行模拟；拱肋与立柱共节点连接，立柱与盖梁的连接利用弹性连接中的刚性连接来模拟；主梁与盖梁之间的支座采用弹性连接模拟[7]。基于组合结构的计算思想，借助于软件MIDAS/Civil联合截面功能建立了双材料单元[8]以实现对钢管混凝土拱肋的模拟，钢管拱肋与拱内混凝土之间以共节点的方式进行考虑；混凝土形成结构之前所有荷载施加在钢管拱肋上，混凝土达到加载龄期后按钢与混凝土联合后的截面进行计算。拱脚固结，不考虑结构、地基相互作用。有限元模型共划分为6 522个梁单元、4 818节点。

结构材料参数如表1所示。

表1 材料参数表

鉴于该钢管混凝土拱桥的跨度相对较大，因此，在分析结构施工过程中地震作用下的动力响应特性时考虑了P-Δ效应引起的弯矩增大效应[9-10]。对于成桥状态下结构的动力特性分析，此处采用子空间迭代法[11-12]求解结构的特征值。

图1 有限元仿真分析模型

3 抗震设防水平与性能目标

根据该桥工程地质初勘报告和设计要求知，该桥单跨跨径超过150 m，抗震设防类别为A类，应按A类桥梁进行设计，地震设防烈度为7度(0.1g)，场地类别属于I类。为研究该桥在不同抗震设防水准(E1和E2)条件下的地震响应特性，此处采用反应谱法对其进行深入分析。

采用反应谱法对桥梁结构进行地震响应分析时，反应谱分析采用我国《公路桥梁抗震设计细则》[5](JTG/T B02-01-2008)中的动力放大系数，相应的阻尼比为0.05时的水平设计加速度反应谱S由下式确定：

(1)

式中：Tg为特征周期，s，按桥址位置在《中国地震动反应谱特征周期区划图》上查取；T为结构自振周期，s；Smax为水平设计加速度反应谱最大值。该桥E1、E2反应谱数据图如图2和图3所示。

图2E1反应谱数据图

根据我国现行桥梁结构抗震设计规范[5]中的相关规定，该桥为A类桥梁，因此对其进行抗震设计应采用E1和E2两水平地震设防。

图3E2反应谱数据图

4 结构动力特性分析

准确获取结构的动力特性是进行抗震性能研究的基础和关键[8-9]。此处利用MIDAS/Civil软件基于子空间跌代法求解特征值，在此基础上获得结构成桥状态的主要动力特性如表2所示，相应的结构前六阶振型图如图4所示。

表2 成桥状态结构自振特性表

图4 成桥状态振型图

根据图4可知，此钢管混凝土拱桥成桥状态的振型具有如下特点：

(1) 因主拱肋面外刚度比面内受弯刚度小，因此本桥第一阶振动表现为横桥向对称侧弯，该类型桥梁的横向稳定问题应引起重视，考虑到主拱肋间横撑对结构横向稳定的重要贡献，在设计时，可以通过增加拱顶及1/4跨横撑刚度及数量、强化拱脚段横撑的方法来提高主拱肋的横向刚度。

(2) 因主桥各片主拱肋之间采用钢管进行连接，钢管刚度较小，因此本桥基频周期较长，达到3.8s，基频较低，为0.258Hz，远小于一般的刚性桥梁结构，但是其面内和面外的第一阶频率都大于大跨柔性桥梁结构。表明大跨度钢管混凝土拱桥动力特性有其自身特点，属于中等柔性结构。

(3) 横撑的设置使拱肋的横向整体刚度增加，进而提高了主拱肋的整体面外稳定性。

(4) 各立柱截面相同，1号立柱和14号立柱高度较高，相应地，1号立柱和14号立柱长细比较大，所以第六阶振动为这两立柱的局部振动，建议在1号、2号、13号、14号立柱间添加横撑，提高这四根立柱的稳定性。

(5) 上承式桥型主拱圈与桥面系通过钢立柱连接，主拱圈与桥面振动呈现出一致性。

(6) 人体对振动感觉比较敏感的频率范围是2Hz～6Hz，从表2中可以看出前6阶频率都不在这个范围之内，所以不会使司机和乘客感觉到有明显的振感，具有较好的行车舒适性。

5 结构抗震性能分析

地震是一种破坏力巨大而又难于预测的自然灾害。基于该桥抗震设计的要求，通过对该桥各关键构件在不同水平地震作用下的地震响应特性进行反应谱分析，获得结构主要构件的应力值，该桥主要构件在E1、E2地震作用下的应力如表3～表6所示，其中4种荷载工况依次为E1横向地震+恒载、E1纵向地震+恒载、E2横向地震+恒载、E2纵向地震+恒载。

表3 E1横向地震作用下结构主要构件应力值

注：表中数据负值表示压应力，正值表示拉应力。下表同。

表4 E1纵向地震作用下结构主要构件应力值

表5 E2横向地震作用下结构主要构件应力值

表6 E2纵向地震作用下结构主要构件应力值

通过MIDAS/Civil分析计算，结合表3～表6可以看出：

(1) 在纵向地震作用下，各构件应力相对较大，设计时应按照规范要求进行相应抗震设计。

(2) 采用不同的抗震设防类别E1、E2地震作用，拱肋构件应力变化不大，腹杆、斜撑以及拱上立柱等构件应力变化较大。

(3) 对于不同的抗震设防类别E1、E2地震，不同的地震输入方向(纵、横向地震)对拱肋构件应力影响不大。

(4) 对于不同的抗震设防类别E1、E2地震，不同的地震输入方向(纵、横向地震)对腹杆、斜撑以及拱上立柱等构件影响较大。

(5) 拱肋抗震设计最危险截面是拱脚截面，地震反应内力最大，且内侧拱肋大于外侧拱肋，这一点抗震设计时应注意。

(6) 抗震验算结果表明，在E1、E2地震作用下，桥梁各构件均处于弹性工作状态，该桥各控制截面承载能力均能满足抗震设计要求。

6 结 语

基于反应谱分析方法，利用MIDAS/Civil桥梁专用有限元软件对某大跨上承式钢管混凝土拱桥地震响应特性进行仿真分析模型结果表明：

(1) 该大跨上承式钢管混凝土拱桥具有良好的抗震性能，在该地震区选择这种结构满足安全性要求。

(2) 上承式钢管混凝土拱桥振型比较复杂，主要包括拱肋与桥面的面外、面内竖弯及扭转，面外刚度小，面外的稳定问题突出。

(3) 在地震作用下，钢管混凝土拱桥最危险的结构部位是拱脚部分，设计中应在这些部位采取加强措施。

[1] 李俊保，王延杰.我国钢管混凝土拱桥发展情况分析[J].建筑工程技术与设计，2014(24):237．

[2] 张 波,李术才,杨学英,等.上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应分析[J].公路交通科技,2009,26(3):64-67.

[3] 王沛耘.大跨度钢管混凝土拱桥自振特性及地震响应分析[D].成都:西南交通大学,2008.

[4] 赵雅丽.大跨度钢管混凝土拱桥的地震响应分析[D].杭州:浙江大学,2005.

[5] 中华人民共和国交通运输部.公路桥梁抗震设计细则：JTG/TB02-01-2008[S].北京:人民交通出版社,2008.

[6] 范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.

[7] 钟宏林.MidasCivil桥梁工程实例精解[M].大连:大连理工大学出版社,2014.

[8] 陈星烨,余钱华.大跨度桥梁的抗震分析与地震动输入[J].中外公路,2001,21(4):32-34.

[9] 刘 斌,王 琼.大跨度钢桁拱桥地震反应分析[J].交通科技,2016(3):29-31.

[10] 张科峰.高烈度区常规桥梁抗震分析[J].山西交通科技，2015(1):38-40.

[11] 刘声树,朱慈勉.钢管混凝土拱桥动力性能及抗震性能研究[J].交通科技,2008(2):9-12.[12] 雷 宇,赵 雷.孟庆成等.钢管混凝土拱桥地震响应分析的参数研究[J].公路交通科技,2008,25(7):54-58.

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，河南南乐人，工程师，主要从事公路勘察设计工作。E-mail:646461088@qq.com

U442

A

1672—1144(2017)02—0128—05