1、承式大跨度鋼管混凝土拱橋地震反應分析公路交通科技Vol. No. 200 年 月Journal of Highway and200Transportation Research and Development張波 1， 李術才 1，楊學英 2，孫國富 1，葛顏慧 1，魏建軍 3，李傳夫1山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061）（山東城市建設職業學院，山東濟南 250014）（中國礦業大學，江蘇徐州 221008）摘要：為研究上承式大跨度鋼管混凝土拱橋的地震反應性能，以大型 有限元計算軟件ANSYS為平臺，分別以縱向+豎向和橫向+豎向遷安波與EICentro 波作為輸入地震波

2、，對跨徑為 430m 的上承式鋼管混凝土拱橋支井河特大橋進行了地震反應分析。研究結果表明：前10 階振動以側向振動為主，表明橋縱向剛度遠大于側向剛度；拱肋抗震設計最危險截面是 拱腳截面，地震反應內力最大；橫向豎向地震動輸入時拱肋軸力及彎矩Mz 略大于縱向豎向地震動輸入時，相差幅度不大，但橫向豎向地震 動輸入時彎矩 My 遠大于縱向豎向地震動輸入；在橫向豎向地震動輸 入下最危險截面拱腳處的地震反應軸力內側拱肋大于外側拱肋。關鍵詞：橋梁工程；地震反應分析；ANSYS;上承式鋼管混凝土拱橋；支 井河特大橋文獻標識碼 ：中圖分類號： U448.22The Seismic Response Analys

3、is of Deck-type Long-Span CFST Arch BridgeZHANG Bo1, Li Shu-cai1, YANG Xue-ying2, SUN Guo-fu 1,GE Yan-hui 1, WEIJian-jun3, LI Chuan-fu1(Geotechnical and Structural Engineering Research Center, ShandongUniversity, Jinan 250061,China)(Shandong Urban Construction Vocational College,Jinan 250014， China)

4、(China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221008, China)Abstract: In order to study the seismic response of deck-type long spanCFST(concrete filled steel tube) arch bridge, the deck-type CFST arch bridge Zhijinghe Great Bridge with 430m span was analyzed with computation program ANSYS, whi

5、ch 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 lengthwise direction of bridge is larger than that in cross direction of bridge. The section

6、 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 seismic waves are a little larger than those with lengthwise + vertical directions input

7、 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 most dangerous section arch springing with cross + vertical directions input seismic wave

8、s are larger than those of out arch rib.Keywords: bridge engineering; seismic response analysis; ANSYS;deck-type CFST arch bridge; zhijing river great bridge0 引言鋼管混凝土拱橋的首次應用是 1 937年前蘇聯在列寧格勒用集束小直徑鋼管混凝土做拱肋建造了跨經為 110m 的拱梁組合橋，自從 1990 年我國建成第一座鋼管混凝土拱橋四川旺蒼東河大橋（主橋全長244.03m）以來，鋼管混凝土拱橋在我國得到了迅猛發展，如萬縣長江公路大橋（主跨4

9、20m，全長856m）,廣州丫髻沙大橋（全長512m）,巫峽長江大橋（主跨460m）,南縣茅草街大橋（跨徑356m）等。鋼管混凝土拱橋的一個優點就是跨度大，這就給橋的抗震設計提出了更高的要求，我國公路抗震設計規范 1 規定只適用于主跨不超過150m 的梁橋和拱橋，對特殊抗震要求的建筑物和結構應進行專門研收稿日期： 2008 年 3 月 22 日基金項目：國家杰出青年基金 （A類），基金編號：50625927.作者簡介：張波（1977 -），男，山東淄博人，博士研究生，主要研究 方向為大跨度橋梁與橋基相互作用， E-mail：。1 地震響應計算方法在地震作用下 ,多自由度結構的運動方程為：M?C

10、?K?M?g (1)式中:M,C和K分別為結構的總質量矩陣、總阻尼矩陣、總剛度矩陣； ?,?和?分別為結構位移列向量、 速度列向量、加速度列向量； ?g為地面運動加速度列向量，參考文 2-6, 結構阻尼比本文取 ?i?j?2%。在大跨度拱橋的計算中時程積分法是一種常用的方法 ,本文采用 Newma?r?k法，在Newmark?法中，將動力方程式 寫為增量形式：M?C?K?M?g(2) 設：?(3) ?(t)?(t)?(t)?t?(t)?t?(t)?t?(t)?(?t)2/2?(t)(?t)2(4) Newmark?法的關鍵在于？,？的取值，當滿足？1/2,?/2時，Newmark?法是無條件穩

11、定的，本文 取 ?0.5,?0.25。2 工程概況支井河特大橋位于巴東縣野三關鎮支井河村一組，滬蓉國道主干線湖北省宜昌至恩施高速公路榔坪高坪段，全橋長545米，主拱計算跨徑430 米，計算矢高 78.18米，矢跨比為 1/5.5，兩個拱肋拱腳和拱頂的中心距離均為 13 米，同類型拱橋中跨度屬世界之最。主拱圈斷面采用鋼管砼與鋼 管組成的桁架式斷面，斷面高度從拱頂 6.5米變化到拱腳 13.0米。拱肋寬度為4.0米。主拱圈鋼管外徑1200毫米，管壁厚度：下弦拱腳1/8跨為35毫米，1/82/8跨徑為30毫米，其余下弦及上弦管均為 24毫米。鋼管內填充 50 號高強砼。拱上立柱蓋梁采用加勁鋼箱結構。

12、3 計算模型采用有限元計算軟件 ANS YS進行計算，梁單元Beam188模擬拱肋、橋面箱梁，橫撐用Beam44單元模擬，拱腳固結，不考慮結構地基相互 作用，計算模型如圖1所示。在ANSYS坐標系中，x軸為縱橋向，y軸為 豎直向， z 軸為橫橋向。鋼管混凝土主拱肋是由鋼管內混凝土和鋼管組成的桿系結構，在計算 時現在一般有兩種方法來處理：雙單元法，即將鋼管和混凝土作為兩根 桿件來計算，保證其節點坐標相同；換算截面法，將鋼和混凝土換算成 一種材料來計算。本文采用雙單元法模擬拱肋。結構材料參數：鋼材 E?2.06e11Pa，?0.3，?7850kg/m3，鋼管內混凝土E?3.45e10Pa， ?0.

13、167， ?2400kg/m3，本文所有材料都在彈性范圍內計算。圖 1 支井河特大橋計算模型Fig.1 Computation model of Zhijinghe Great Bridge4 自振特性分析對支井河特大橋進行模態分析，計算結果見表 1。表 1 支井河特大橋模態分析結果Table1 Modal analysis results of Zhijinghe Great Bridge階次 頻率 /Hz振動情況1 0.130 對稱側彎 2 0.239 反對稱側彎 3 0.328 正對稱側彎 4 0.403反對稱側彎 5 0.434 反對稱豎彎 6 0.505 正對稱側彎 7 0.621

14、反對稱側 彎 8 0.680 正對稱豎彎 9 0.697 扭轉100.729反對稱側彎扭轉第 卷 由表公路交通科技 可以看出，前 10 階振動以側向振動為主，表明橋縱向剛度遠大于側向剛 度。EI10-12，本文采用動態時程分析法對支井河特大橋進本文分別取遷安波與Centro 波為輸入地震行地震反應分析。波，其最大水平加速度調整為0.2g,最大豎向加速度調整為0.12g,震動輸入分別采用橫橋向 +豎向、縱橋向 +豎向兩種輸入方式，輸入地震波加速度時程圖見圖 2、圖 3。地震輸入下拱肋的地震反應內力及位移結果見圖 4圖 10。5 地震時程分析動態時程分析法是隨著強震記錄的增多和計算機技術的廣泛應用

15、而 發展起來的，是公認的精細地震分析方法。目前，大多數國家除對常用的 中小跨度橋梁仍采用反應譜法計算外，對重要、復雜、大跨的橋梁抗震計算都建議采用動態時程分析法圖 2 遷安波水平加速度時程Fig2 Horizontal acceleration time- history of qianan wave圖 3 EI Centro 波水平加速度時程Fig.3 Horizontal acceleration time-history of EI Centrowave拱肋軸力包絡圖 Fig.4 Axial force Envelope of arch rib拱肋彎矩 My 包絡圖 Fig.5 Mome

16、nt My envelope of arch rib拱肋彎矩 Mz 包絡圖 Fig.6 Moment Mz envelope of arch rib橫向豎向地震動輸入時內外側拱肋軸力包絡圖Fig.7 Axialforce envelope of inner and out arch rib withtransverse + vertical direction input seismic wavesFig.8 Axial圖 8 縱向豎向地震動輸入時內外側拱肋軸力包絡圖force envelope of inner and out arch rib withlongitudinal + vert

17、ical direction input seismic waves圖 9 在橫向豎向地震動輸入時內外側拱肋拱腳截面軸力地震反應時程Fig.9 The seismic response axial force time history of arch rib spring cross sections with transverse + vertical direction inputseismic waves圖 10 在縱向豎向地震動輸入時內外側拱肋拱腳截面軸力地震反應時程Fig.10 The seismic response axial force time history of arch

18、 rib springcross sections with longitudinal + vertical direction inputseismic waves由圖 4-圖 6 可以看出，拱肋抗震設計最危險截面是拱腳截面，地震反應內力最大；橫向豎向地震動輸入時拱肋軸力及彎矩Mz 略大于縱向My豎向地震動輸入時，相差幅度不大，但橫向豎向地震動輸入時彎矩遠大于縱向豎向地震動輸入。由圖 7圖 10 可以看出， 在縱向豎向地震動輸入時內外側拱肋軸力非常接近，而在橫向+豎向地震動輸入下最危險截面一一拱腳處的地震反軸力內側拱肋大于外側拱肋，這一點抗震設計時應注意。6 結論 以大型計算軟件ANSYS為

19、平臺，對上承式鋼管混凝土拱橋-支井河特大橋進行了地震反應分析，以適于一類場地的遷安波為輸入地震動，經過計算，得出如下結論：1、前 10 階振動以側向振動為主，表明橋縱向剛度 遠大于側向剛度。2、拱肋抗震設計最危險截面是拱腳截面，地震反 應內力最大。3、橫向豎向地震動輸入引起的拱腳處地震響應 內力大于縱向豎向地震動輸入引起的地震響應內力。4、橫向豎向地震動輸入時拱肋地震反應軸力及彎矩 Mz 略大于縱向豎向地震動輸入時，相差幅度不大，但橫向豎向地震動輸入時拱肋彎矩 My遠大于縱向+豎向地震動輸入。5、縱向豎向地震動輸入時內外側拱肋軸力非常第 卷 接近，公路交通科技 而在橫向+豎向地震動輸入下最危險

20、截面一一拱腳處的地震反應軸力內 側拱肋大于外側拱肋。Element Method J. Journal of Highway and Transportation Research andDevelopment, 2007, 12(10) ：61-65.8 周勁草 ,嚴志剛 ,盛洪飛 .大跨度中承式鋼管混凝土拱參考文獻1 中華人民共和國交通部 .JTJ 004-89 公路工程抗震設計規范S.北京：人民交通出版社，1989. PR.Chi na.Mi nistry ofCommunications. JTJ 004-89, Design Specification for Seismic Des

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