多肋连续系杆拱桥动力特性及抗震分析

程 娜 谢祥兵 米永刚

(1.西京学院，陕西 西安 710123； 2.西安建筑科技大学，陕西 西安 710043)

多肋连续系杆拱桥动力特性及抗震分析

程 娜1谢祥兵2米永刚1

(1.西京学院，陕西 西安 710123； 2.西安建筑科技大学，陕西 西安 710043)

以某多肋连续系杆拱桥工程为例，建立了两种计算模型，分析了其自振特性和主要控制截面的内力及位移规律，结果表明：拱座与桥墩分离可有效减少中墩截面尺寸，使地震力在拱墩处分配均匀。

多肋拱桥，抗震性能，动力特性

随着交通事业的快速发展和人们审美观念的不断提升，城市中多肋系杆拱桥以桥型美观，受地形条件限制较少，主要受力部位在桥梁的上部，主梁的高度比连续梁桥小等优点，受到广泛青睐。这类桥的动力特性不同于简支单肋系杆拱桥和两肋的系杆拱桥，本文结合两种不同抗震结构形式的多肋连续刚性系拱桥进行动力特性和抗震性能分析[1，2，5，6]。

1 有限元计算理论

桥梁刚度以桥梁结构动力特性为指标，是进行结构动力、抗震、减隔震等分析的必要参数[9]。在该指标的分析中首要问题即是计算结构的自振频率及振型，而且桥梁结构中动力响应的关键参数也就是自振频率和振型。桥梁多自由度结构固有振动方程为[11]：

其中，为结构质量矩阵；为结构阻尼矩阵；为结构刚度矩阵。

对于多肋系杆拱桥这类大型结构，一般情况下对结构的位移和内力起控制作用的只有前几阶的自振频率和相应阵型。所以，此结构也只计算出前几阶振动频率以及相应的阵型。

2 工程实例分析

2.1 工程概述

某多肋连续刚性系杆拱桥，由拱肋、吊杆和桥面系三部分组成。桥面全宽为53.5m，将跨径设置为：2×89.25=178.5m；横桥向上共布置4榀拱肋，2榀拱肋为一组，间距为10.5m，分别位于分隔带处，设有横撑；各组之间拱肋敞开式布置，间距设为18.5m，暂不设横撑。拱肋设为钢箱截面，尺寸为1.8m×1.3m；钢箱壁厚δ=22mm；该桥共有吊杆96根，第一根吊杆处以下拱肋填充混凝土，以上为空钢箱。拱轴线为二次抛物线，方程是y=-x2/75+x，桥面下采用直线，矢跨比：f/l=1/4，拱肋采用Q345qD钢板工厂焊接加工。采用预应力混凝土刚性变截面加劲梁，截面尺寸在拱肋相交处为2.0m×2.75m，在其他部位为2.0m×2.1m。横梁采用预应力混凝土，与系梁刚性连接。抗震设防烈度8度，地震加速度0.2g。

2.2 空间有限元模型建立

本结构采用有限元软件MidasCivil(2012)，在建立该桥的空间计算模型时采用设计尺寸。而拱肋、系杆、横梁及横撑等参数均按照实际截面输入，采用空间梁单元；吊杆运用桁架单元，按刚度等效法推算其桥面系的纵、横向刚度并分别迭加至到纵梁与横梁上，并且考虑到桩—土—结构的共同作用，结构桩基础以梁单元进行模拟，桩周围土的抗力影响采用土弹簧单元来进行模拟。

2.3 抗震分析模型简图及动力特性分析

1)抗震分析模型简图见图1。模型一采用拱座与桥墩固结，系梁与拱肋刚接，边墩设置滑板支座。模型二采用拱座与桥墩分离，中墩处分别设置两个铅芯橡胶隔震支座(左右)和抗震型双向活动盆式支座(中间)，边墩处设置铅芯橡胶隔震支座+粘滞阻尼器[2，3，7]。

2)动力特性分析。采用子空间迭代法分别对模型一和模型二进行分析，各选取前10阶频率及前5阶阵型，可得多肋连续系杆拱桥自振有以下特点：

a.前10阶阵型的参与质量均远小于《城市桥梁抗震设计规范》的90%以上，说明高阶阵型对两种计算模型的影响均不容忽略。

b.模型一考虑到桩土作用基频0.671 118Hz，周期1.49s，可见模型一刚度相对较大，周期较短，结构的地震反应内力相对较大；模型二考虑到桩土作用的基频0.270 759Hz，周期为3.69s，说明在同类场地条件下，模型二的抗震性能优于模型一。

3 两种计算模型抗震性能分析

3.1 地震波的选取

本文选取了三条实录地震波进行时程分析：埃尔森特罗波(El-Centro)、宁河天津波、塔夫特波(Taft)，并分别对它们的峰值进行调整，保持频谱特性不变，分别截取了15s，15s，20s，时间间隔0.02s。

3.2 关键截面内力和位移时程分析

根据《城市桥梁抗震设计细则》(2012),该桥为非规则桥梁。E2地震作用计算方法采用非线性时程法，在MidasCivil程序中，准确输入各计算所需要的各种参数；程序自动计算出E2地震作用下结构最大受力情况[4，8]。

通过各计算参数和计算结果可以得到：1)模型一与模型二中墩底剪力相差最大幅度为48%，模型一底部剪力和主要受力构件的弯矩均大于模型二的弯矩。2)模型二中墩处隔震支座起到耗能减震的作用，有效的减少了桥墩的弯矩、剪力和轴力，有很好的减震效果，内力时程曲线显示模型二相比模型一，弯矩、剪力和轴力更加均匀的分布于各个桥墩。3)模型二中系梁跨中处与边墩墩顶的位移差值比模型一中的差值减少了77.8%，拱圈1截面的弯矩最小减少幅度为25%，拱脚截面的弯矩最小减少幅度为28%。

4 结语

1)通过对两类计算模型进行动力特性分析，可知该类桥梁的横向刚度特别重要，高阶阵型对两种计算模型不容忽略。

2)模型二中铅芯橡胶支座+盆式支座的综合应用，有效的延长了结构的自振周期，使桥墩的地震力分配均匀，大大减少了横桥向和纵桥向地震力的作用，粘滞阻尼器在边墩处的设置，使得桥梁在地震作用下受力更加合理，有效地提高桥梁的安全性和整体抗震性能，并且保证了E2地震作用下桥梁基本上不发生损伤。

[1] 范立础.桥梁工程.北京:人民交通出版社,2004.

[2] 范立础.桥梁减隔震设计.北京:人民交通出版社,2001.

[3] 李 峰.分离式减隔震技术在高烈度半中乘式连续系杆拱桥中的应用.西北水电,2010(4)：73-76.

[4] CJJ 166—2011,城市桥梁抗震设计规范.

[5] 孙书亭.宽幅系杆拱桥抗震设计.中国桥梁学术会议论文集.2010.

[6] R. S. Jangid. Seismic Response of Isolated Bridges, Journal of Bridge Engineering. ASCE，2004(4)：51-52.

[7] 周福霖.工程结构减震控制.北京:地震出版社，1997.

[8] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范.

[9] 刘伯栋.钢管混凝土拱桥动力特性分析.西安：西安建筑科技大学硕士学位论文，2009.

On dynamic features of multi-rib continuous arc bridges and its anti-seismic analysis

Cheng Na1Xie Xiangbing2Mi Yonggang1

(1.XijingCollege,Xi’an710123,China;2.Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710043,China)

Taking some multi-rib continuous arc bridge as the example, the paper establishes two kinds of calculation models, analyzes its self-vibration features and internal stress and displacement rules of main controlling sections, and proves by the result that the skewback and pier separation can reduce the size of pier section and have the even distribution of seismic force of the arch pier.

multi-rib arc bridge, anti-seismic property, dynamic feature

2015-09-17

程 娜(1986- )，女，硕士，助教

1009-6825(2015)33-0183-02

U441.3

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