上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应分析
第 卷 第 期 公 路 交 通 科 技 Vol. No. 200 年 月 Journal of Highway and Transportation Research and Development . 200
张波1， 李术才1，杨学英2，孙国富1，葛颜慧1，魏建军3，李传夫1
（山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061） (山东城市建设职业学院，山东 济南 250014) (中国矿业大学，江苏 徐州 221008）
摘要：为研究上承式大跨度钢管混凝土拱桥的地震反应性能，以大型有限元计算软件ANSYS为平台，分别以纵向+竖向和横向+竖向迁安波与EI Centro波作为输入地震波，对跨径为430m的上承式钢管混凝土拱桥——支井河特大桥进行了地震反应分析。研究结果表明：前10阶振动以侧向振动为主，表明桥纵向刚度远大于侧向刚度；拱肋抗震设计最危险截面是拱脚截面，地震反应内力最大；横向＋竖向地震动输入时拱肋轴力及弯矩Mz略大于纵向＋竖向地震动输入时，相差幅度不大，但横向＋竖向地震动输入时弯矩My远大于纵向＋竖向地震动输入；在横向＋竖向地震动输入下最危险截面――拱脚处的地震反应轴力内侧拱肋大于外侧拱肋。 关键词：桥梁工程; 地震反应分析; ANSYS; 上承式钢管混凝土拱桥; 支井河特大桥
中图分类号：U448.22 文献标识码 ：
A
The Seismic Response Analysis of Deck-type Long-Span CFST Arch Bridge ZHANG Bo1, Li Shu-cai1, YANG Xue-ying2, SUN Guo-fu 1,GE Yan-hui 1, WEI Jian-jun3, LI Chuan-fu1
(Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061,China)
(Shandong Urban Construction Vocational College,Jinan 250014，China) (China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221008, China) Abstract: In order to study the seismic response of deck-type long span CFST(concrete filled steel tube) arch bridge, the deck-type CFST arch bridge—Zhijinghe Great Bridge with 430m span was analyzed with computation program ANSYS, which 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 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 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 waves are larger than those of out arch rib.
Keywords: bridge engineering; seismic response analysis; ANSYS; deck-type CFST arch bridge; zhijing river great bridge 0引言
钢管混凝土拱桥的首次应用是1937年前苏联 在列宁格勒用集束小直径钢管混凝土做拱肋建造 了跨经为110m的拱梁组合桥，自从1990年我国建 成第一座钢管混凝土拱桥――四川旺苍东河大桥 (主桥全长244.03m)以来，钢管混凝土拱桥在我国
得到了迅猛发展，如万县长江公路大桥(主跨420m，全长856m),广州丫髻沙大桥(全长512m),巫峡长江大桥(主跨460m),南县茅草街大桥(跨径356m)等。钢管混凝土拱桥的一个优点就是跨度大，这就给桥的抗震设计提出了更高的要求，我国公路抗震设计规范[1] 规定只适用于主跨不超过150m的梁桥和拱桥，对特殊抗震要求的建筑物和结构应进行专门研 收稿日期：2008年3月22日
基金项目：国家杰出青年基金(A类)，基金编号：50625927. 作者简介：张波(1977–)，男，山东淄博人，博士研究生，主要研究方向为大跨度桥梁与桥基相互作用，E-mail：。 1地震响应计算方法
在地震作用下,多自由度结构的运动方程为： [M]{???}?[C]{??}?[K]{?}?[M]{???g
} (1) 式中: [M],[C]和[K]分别为结构的总质量矩阵、 总阻尼矩阵、总刚度矩阵；{?
??},{??}和{?}分别为结构位移列向量、速度列向量、加速度列向量；{???g }为地面运动加速度列向量，参考文[2-6],结构阻尼比本文取?i??j?2%。 在大跨度拱桥的计算中时程积分法是一种常 用的方法,本文采用Newma
?r?k法,在Newmark??法中，将动力方程式(1)写为增量形 式：
[M]{????}?[C]{???}?[K]{??}?[M]{????g }(2) 设： ??
?(t)????(t)??t???????(t)??t (3) ??(t)??
?(t)??t????(t)?(?t)2/2???????(t)(?t)2 (4) Newmark??法的关键在于?,?的取值，当满足??1/2,???/2时，Newmark??法是无条件稳定的，本文取??0.5,??0.25。 2 工程概况
支井河特大桥位于巴东县野三关镇支井河村一组，沪蓉国道主干线湖北省宜昌至恩施高速公路榔坪～高坪段，全桥长545米，主拱计算跨径430米，计算矢高78.18米，矢跨比为1/5.5，两个拱肋拱脚和拱顶的中心距离均为13米，同类型拱桥中跨度属世界之最。主拱圈断面采用钢管砼与钢管组成的桁架式断面，断面高度从拱顶6.5米变化到拱脚13.0米。拱肋宽度为4.0米。主拱圈钢管外径1200毫米，管壁厚度：下弦拱脚～1/8跨为
35毫米，1/8～2/8跨径为30毫米，其余下弦及上弦管均为24毫米。钢管内填充50号高强砼。拱上立柱盖梁采用加劲钢箱结构。 3 计算模型
采用有限元计算软件ANSYS进行计算，梁单元Beam188模拟拱肋、桥面箱梁，横撑用Beam44单元模拟，拱脚固结，不考虑结构－地基相互作用，计算模型如图1所示。在ANSYS坐标系中，x轴为纵桥向，y轴为竖直向，z轴为横桥向。
钢管混凝土主拱肋是由钢管内混凝土和钢管组成的杆系结构，在计算时现在一般有两种方法来处理：①双单元法，即将钢管和混凝土作为两根杆件来计算，保证其节点坐标相同；②换算截面法，将钢和混凝土换算成一种材料来计算。本文采用双单元法模拟拱肋。 结构材料参数：钢材E?2.06e11Pa， ??0.3，??7850kg/m3，钢管内混凝土E?3.45e10Pa，??0.167，??2400kg/m3， 本文所有材料都在弹性范围内计算。 图1 支井河特大桥计算模型
Fig.1 Computation model of Zhijinghe Great Bridge 4 自振特性分析
对支井河特大桥进行模态分析，计算结果见表1。 表1 支井河特大桥模态分析结果
Table1 Modal analysis results of Zhijinghe Great Bridge 阶次 频率/Hz
上承式大跨度钢管混凝土拱桥地震反应分析
