哑铃型钢管混凝土拱桥抗震性能分析①

2018-06-28,

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年2期

(安徽建筑大学土木工程学院 ,安徽合肥 230022)

0 引言

哑铃型钢管混凝土系杆拱桥以跨越能力大、造价经济、便于维护以及对地形地质条件的良好适应性得到了广泛应用，但是针对哑铃型钢管混凝土拱桥的抗震性能，国内外的研究较少。在如今地震灾害频发的背景下，开展对哑铃型钢管混凝土系杆拱桥抗震性能的研究就显得。然而像文中这样的哑铃型钢管混凝土拱桥的抗震性能的研究不多。鉴于哑铃型钢管混凝土拱桥自身的特殊性发展, 对于该结构进行动力特性和反应谱特细研究, 探讨和分析其在地震响应下桥梁的稳定性, 填补此类桥梁抗震设计规范的空白具有重要的理论和应用价值。

1 反应谱分析

1.1 反应谱基本概

反应谱分析法是将多自由体系看作多个单自由体系的组合，并计算各单自由度体系的最大地震响应(结构的加速度反应、速度反应和变形位移反应)后再进行组合计算多自由度体系结构的最大地震响应的方法。

1.2 反应谱分析振型组合方

我国桥梁抗震规范中的模态组合方法主要采用SRSS法和CQC法。

(1)SRSS法(平方和开方法)

一般用于单一方向的地震作用效应(内力、位移)；该方法对于频率分离比较好的平面结构具有很好的精度。

(2)CQC法(完整二次项组合法)

CQC法用于振型密集结构，较好的考虑了频率接近是的振型相关性。在振型密集结构计算精度中，CQC法高于SRSS法

2 工程背景

采用单跨118m哑铃型钢管混凝土下承式系杆拱桥；桥梁横断面布置：0.25m护栏+1m人行道+7.5m车行道+1m人行道+0.25m护栏，桥梁总宽10m。

永久荷载：恒载：钢结构容重78.5kN/m3，钢筋混凝土容重25～26kN/m3，沥青混凝土铺装24kN/m3。可变荷载：机动车道：公路-Ⅱ级；非机动车道、人群荷载：按规范规定取值；地震动峰值加速度为0.05g，特征周期值0.40s，相应地震基本烈度为6度，桥梁抗震设计按提高一度即按7度抗震设防,桥布置图如图1所示。

拱肋采用哑铃形钢管混凝土结构，空钢管在工厂加工成型，分节段运制施工现场组拼成空钢管拱肋。之后在上、下钢管内和钢管腹板间泵送灌注C50微膨胀自密实混凝土，形成钢管混凝土组合结构，充分发挥钢管混凝土承压能力强的特点。拱轴线采用二次抛物线，拱肋计算跨径118m，拱轴线采用二次抛物线，矢高 23m，矢跨比为1/5。拱肋截面全高2.4m，由上、下两根Φ1000x16mm的钢管和中间腹板组成。中间腹板宽0.54m，板厚0.02m。拱肋上下钢管截面内采用间距约1.0mΦ25的HPB300钢筋加强，在吊杆锚固区部位钢筋适当加密，加强钢筋和拱肋钢管焊接连接强度，满足拱肋局部受力需要。腹板内采用间距约1.0m的角钢加强，在吊杆锚固区采用工字钢加强，角钢、工字钢与拱肋焊接连接强度，满足拱肋局部受力需要。见图2所示。

图1 桥布置图

图2 哑铃型钢管截面

图3 全桥空间有限元模型

图4 E1反应谱数据图

3 模型结构建立

利用Midas Civil软件建立哑铃型钢管混凝土拱桥的空间有限元模型。拱肋、横梁、系杆以风撑采用梁单元进行模拟，吊杆用桁架单元模拟；边界条件采用固结模拟。全桥总共划分为160个单元，其中梁单元118个，桁架单元42个。计算荷载：结构自重按照(JTGD60-2004)采用，二期恒载(110kN/m)包括桥面铺装、栏杆、人行道、防撞栏等。

哑铃型钢管混凝土拱肋采用，将钢管混凝土复合材料等效为一种材料。有限元模型见图3所示。

(a)拱桥第1振型； (b)拱桥第2振型 (c)拱桥第3振型

4 抗震设防水平与性能目标

根据该桥工程地质勘察报告和设计要求得知，该桥单跨跨径为118m，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II类。为研究该桥在抗震设防水准E1条件下的地震响应特性，对其进行分析。本文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 ( JTG/T B02-01-2008) 中的动力系数，相应的阻尼比为0.05；该桥E1反应谱数据图如图4所示。

5 结构动力特性分析

在结构动力特性分析中，主要包括自振频率、周期和振型；主要由前几阶自振频率、周期和振型起控制作用。采用多重Ritz向量法进行求解桥梁自振特性，并计算该桥前10阶计算模态，计算结果如表1所示，图5为前6阶振型的振动模态示意图。

表1 桥梁动力特性计算

根据表1和图5可知，该哑铃型钢管混凝土拱桥成桥状态的振型具有以下特点：

(1)该哑铃型钢管混凝土拱桥主要出现了横向振动、结构整体竖向振动和扭转振动。

(2)第1阶振型为拱肋横向振动，桥面系基本无振动，说明该振型对横向地震响应作用比较大。第3阶振型为全桥竖向振动，说明该振型主要对纵向地震响应作用比较重要。第7阶振型为扭转振动，表明第7振型对竖向地震响应贡献最大。

(3)从前3阶振型中变形，看出该类型桥梁的横向稳定性有点薄弱。在设计和施工时，要提高主哑铃型钢管混凝土拱肋的横向刚度来保证桥梁的横向稳定。

6 地震反应分析

利用Midas Civil的CQC法进行抗震反应谱分析，基本参数：烈度=7，场地=II类，阻尼比=0.05。该哑铃型钢管混凝土拱桥的E1地震反应分析拱肋控制截面地震作用位移和内力反应分别在表2和表3所示。

表2 拱肋控制截面地震作用位移(mm)

表3 拱肋控制截面地震内力

通过表2和表3的位移和内力分析，得到：

(1)在E1地震作用下，主拱肋控制节点在3个方向的最大位移均较小，地震响应沿横桥向作用时拱顶最大横向位移为46.64mm。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)规定，桥梁上部结构最大竖向挠度允许值：拱肋不超过L/800=147.50mm，说明该哑铃型拱肋竖向位移满足要求。在横向位移普遍大于纵向位移，说明横向刚度比纵向刚度弱。

(2)该桥在拱脚位置处受力最大，对地震响应比较大。