钢管混凝土拱桥抗震设计分析

许振

摘要：本文以某下承式钢管混凝土平行系杆拱桥为工程背景，建立空间结构有限元模型。在反应谱法显示，在横向地震作用下，截面出现较大的横向位移，三向地震力作用下截面的最大位移为跨中横撑处的横向位移，同时最大轴力也出现在跨中横撑处。时程分析法表明，三向地震力作用下，内力和位移响应与反应谱分析法结果相同。本文以某座下承式钢管混凝土平行系杆拱桥为例，采用有限元分析软件对其进行自振特性分析、反应谱分析与时程分析，得到拱桥在地震力作用下的自振特性、最大位移和内力响应部位。

关键词：钢管混凝土;拱桥;地震响应;反应谱分析;时程分析

中图分类号：TV544+.91文献标识码：A文章编号：1672-9129（2018）06-0206-02

Seismic Design Analysis of Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge

XU Zhen*

（Harbin Electric International Engineering Co.， Ltd.， Heilongjiang Harbin， 150028， China）

Abstract： In this paper， a finite element model of space structure is established based on the engineering background of a through concrete filled steel tubular parallel tied arch bridge. The response spectrum method shows that under the action of lateral earthquake， the cross-section has a large transverse displacement， and the maximum displacement of the cross-section under the action of three-direction earthquake force is the transverse displacement of the mid-span transverse brace， and the maximum axial force also appears at the mid-span transverse brace. Time history analysis shows that the response of internal force and displacement is the same as that of response spectrum analysis. In this paper， a through concrete filled steel tube parallel tied arch bridge is used as an example to analyze the natural vibration characteristics， response spectrum and time history of the bridge by using the finite element analysis software. The natural vibration characteristics， the maximum displacement and the internal force response location of the arch bridge under the action of the earth's earthquake force are obtained.

Keywords： Concrete-filled steel tube; arch bridge; seismic response; response spectrum analysis; time history analysis

引用：許振. 钢管混凝土拱桥抗震设计分析[J]. 数码设计， 2018， 7（6）： 206-206.

Cite：XU Zhen. Seismic Design Analysis of Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge[J]. Peak Data Science， 2018， 7（6）： 206-206.

引言

钢管混凝土结构，由于混凝土的填充延缓了钢管的局部屈曲，而钢管对混凝土的环向约束作用提高了混凝土受压强度，故钢管混凝土应用于受压构件的优势颇为明显。同时它也具有承载能力高、抗震性能好、施工便利、自重轻以及耐火性好等优点，已被广泛应用于工程实践。然而由于它具有面外刚度偏弱，拱肋重心较高的特点，故在地震作用下反应较敏感，随着跨径的增大，其动力问题也越来越突出，因此钢管混凝土的抗震研究需引起特别重视。

1  有限元模型建立

该拱桥全长96m，桥梁全宽17.1m，拱肋全长100m，矢跨比为l/5，拱肋平面内矢高19.2m，拱肋采用悬链线线性的双钢管混凝土结构，高3.0m，钢管直径1000mm，钢管及连接腹板厚度均为16mm。主梁采用单箱三室预应力混凝土箱梁，梁宽17.1m，高2.5m，底板厚度为30cm，顶板厚度为30cm，边腹板厚度为35cm，中腹板厚度为30cm。全桥可分为拱肋、横撑、系梁、吊杆等部分。

2  动力特性分析

在空间动力特性分析中，一般前几阶自振频率和其相应振型特征起到控制作用，因此分析该拱桥的前10阶振型特征。前三阶振型特征桥梁结构面外稳定性要弱于面内，侧向振动影响要强于面内竖向振动，拱桥面外抗弯刚度弱于面内。由第一、三阶阵型特征分析可知在地震作用下，两拱肋之间的相对横线位移很小。同时，主拱肋的竖向位移越靠近跨中，其值越小也在第二阵型中有所表现。

综合前十阶振型，拱肋未发生扭转，说明其抗扭刚度较大，易满足刚度要求。在第九阶振型中，出现桥面系一阶反对称扭转，扭转对拱桥产生的影响较大。对于面内振型，因拱肋与桥面系的重力方向一致，桥面系与拱肋的振动基本同振型。

3  地震反应分析

3.1  反应谱分析

根据动力特性分析结果，对该下承式拱桥的动力计算模型分别单独考虑三个方向的地震作用，取前200阶振型进行叠加，得到三个方向单独作用下反应谱分析结果并进行地震荷载组合，得到最大地震作用。

由计算结果，对其主要截面进行结果分析，图1为单向和三向正交分量独立作用下主拱截面三向位移峰值，并按受力效应组合公式将三向正交分量进行组合。

由图1可知截面的纵向位移和竖向位移在三个方向的地震作用下均较小，最大值为9.3mm。同时横向位移在纵向和竖向地震作用下最大值仅为6.4mm，特别是在竖向地震作用下，截面的横向位移几乎可以忽略不计，但在横向地震作用下，截面出现较大的横向位移，最大值位置在跨中横撑处，计算分析为47.0mm。在三向地震力作用下，截面最大位移为跨中横撑处的横向位移，其值高达47.4mm;由于拱桥第一阶阵型为主拱肋一阶对称侧弯，故其在地震作用下横向位移响应明显，越靠近跨中处，位移响应越大，且横向地震作用为最不利作用。

3.2  时程分析

对于一般桥梁采用振型叠加法;对于大跨度桥梁采用时程积分法。

地震波在不同場地类型的土层中传播时，对结构造成的振动响应也不同，因此，对结构进行时程分析时，需根据结构所处的场地类型，选择合理的地震波进行输入。本文采用方法是相同场地类型下，已观测到其他地区的地震记录作为输入地震波。当结构所在的地区缺乏强震观测的地震记录时，可根据规范规定的该地区最大加速度和卓越周期，对已有的地震记录进行线性放缩。本文选取El-CENTRO地震记录峰值较大的一段0～20s进行分析。地震输入分别从三个方向（桥梁纵、横、竖向） 输入进行计算，加速度峰值取0.1g，计算中取步长0.02s，共1000步，总时间长20.00s。其三向加速度波形如图2所示。

在三向地震力作用下，纵向位移和竖向位移在地震作用下较小，最大值分别为1.47mm和1.72mm;而横向位移最值较大，最大值为14.3mm，与反应谱分析结果类似。在三向地震力作用下，拱肋关键截面横向位移跨中横撑比2#K撑大，而2#K撑比1#K撑大，即越靠近跨中位置，横向位移越大。在三向地震力作用下，截面最大轴力峰值出现在跨中横撑处，为633.2kN，截面最大弯矩和剪力出现在1#K撑处，分别为295.6kN·m（平面内弯矩）、109.3kN·m（平面外弯矩）、502.9kN（平面内剪力）以及946.0 kN（平面外剪力）。在三向地震力作用下，拱肋关键截面轴力跨中横截面比2#K撑大，而2#撑比1#撑大，而弯矩和剪力大小顺序与轴力相反。

4  结束语

（1）反应谱和时程分析位移响应结果分析表明，在三向地震力作用下，截面纵向和竖向位移均较小;在纵向和竖向地震作用下横向位移也很小，但在横向地震作用下，截面出现较大的横向位移。截面最大位移为跨中横撑处的横向位移，拱肋关键截面越靠近跨中位置，横向位移越大。

（2）反应谱法和时程分析法，两种方法在分析截面位移内力值时不同，但两种方法在确定截面位移和内力最值位置的结论一致，根据不同的情况可以选择不同的方法进行抗震研究分析。

参考文献：

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