铁路下承式钢管混凝土系杆拱桥抗震分析

2018-01-26靳晓燕

中华建设 2018年1期

靳晓燕

一、分析模型及计算参数

1.工程简介

某简支铁路桥，为计算跨度46.5m的下承式钢管混凝土系杆拱桥。梁部为预应力混凝土结构，混凝土采用C50，采用双主纵梁的纵横梁体系，主纵梁位于两侧，梁高1.6m，高跨比为1/29.06，跨中部位主纵梁宽1.4m，在距离两端支座中心9.75m处，纵梁宽由1.4m开始增大，在距离支座中心5.75m处，梁宽增至2.2m直至端部。中间设1道与主纵梁同高、宽0.3m的小纵梁。端横梁高1.6m，宽2.0m；中间横梁与端横梁同高，宽度减小为0.3m，中间横梁纵向中心矩4.0m。吊杆为PES(FD)7-55成品钢索，竖直平行布置，间距为4m。拱肋矢跨比f/L=1:6，拱轴线为二次抛物线。拱肋横断面采用椭圆形钢管混凝土变截面，中间部分拱肋为等截面，截面高0.8m、宽1.3m。拱脚部分拱肋截面从高度0.8m逐渐增大为1.3m，宽度从1.3m逐渐增大到1.8m。拱肋钢管由16mm厚的Q345qD钢板制成，管内灌注C50微膨胀混凝土。

2.单元类型

梁部混凝土采用SOLID185单元；梁部的纵向预应力钢束、端横梁以及中间横梁的横向预应力钢束采用LINK180单元；采用BEAM189，模拟吊杆、拱肋。

在ANSYS软件环境中建立的计算用有限元模型如图1所示。边界条件按一端固定铰支座约束，一端是纵向活动支座约束。

图1 简支系杆拱桥的有限元模型

二、系杆拱桥静力分析

1.荷载组合

：《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）规定，桥梁设计时，仅考虑主力与一个方向（顺桥或横桥方向）的附加力相组合。经计算比较，主力+横向附加力为最不利荷载组合。其中温度力按照升、降温25℃考虑。升温时，钢材比混凝土温度高15℃；降温时，钢材比混凝土低10℃，常温按20℃处理。

2.计算结果

各典型工况下，系杆拱桥强度、刚度计算结果如表1所示。

表1 各典型工况下的强度、刚度计算结果

图3 第二阶振型

图4 第三阶振型

该桥在三种工况下的强度、刚度都小于规范规定的允许值；但是拱肋钢管应力对温度升高敏感度高，温度升高25℃，拱肋钢管压应力增幅达44%；温度降低25℃，对拱肋钢管应力的影响可忽略。

三、钢管混凝土系杆拱桥动力分析

1.模态分析

采用的计算模型，与强度计算模型相比，约束条件相同，去除了横向风力、列车活载等集中加载点等内容。该桥的部分整体振型如图2～5所示，频率和振型描述如下表2所示。

图2 第一阶振型

图5 第四阶振型

表2 拱桥自振频率及振型描述

本桥计算跨度46.5m，桥面宽度在跨中区域为10.5m，靠近支座区域为11.3m，平均宽度10.9m，宽跨比为1/4.3。从表2所列的振型来看，该桥第一阶振型（基频）频率为3.673Hz，一般情况下单跨刚性拱桥的基频为2.5～5.3Hz，说明该桥由于跨度小，宽跨比大，属于刚性拱桥。该桥第一振型为全桥面内竖向反对称振动（面内基频3.673Hz），第二阶振型为拱肋面外反对称横向振动（面外基频3.791Hz），第三阶振型为拱肋面外对称横向振动，：第四阶振型为全桥面内竖向对称振动。表明桥梁的面内外刚度非常接近，桥梁面外横向刚度略大于面内竖向刚度，结构刚度分布合理。

2.地震反应谱分析

模态计算共提取了该桥梁前80阶的非零频率模态，用于地震反应谱分析。该桥所在地区，为8度设防，地震基本烈度8度，地震动峰值加速度0.2g，地震动反应谱特征周期Tg=0.35s。该简支拱桥为刚性拱桥，根据《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）(：2009年版)，该桥在地震谱作用下的振动加速度动力放大系数β按下图6计算。