钢管混凝土拱桥动力性能及抗震性能研究.pdf
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1、总第 2 2 7期 2 0 0 8 年第 2 期 交通科技 Tr a n s p o r t a t i o n S c i e n c e Te c h n o l o g y S e r i a l No 2 2 7 No 2 Apr 2 0 08 钢管混凝 土拱 桥动力性 能及抗 震性 能研 究 刘声树 。 朱 慈勉 ( 1 同济 大学 土木工程学 院 上海2 0 0 0 9 2 ;2 中交第二航务工程勘 察设 计院有 限公 司 武汉4 3 0 0 7 1 ) 摘 要 运用 AN S YS二 次开发功能参数 化建 模 , 分析研究拱 肋横撑 、 拱肋倾角 、 桥墩 刚度 、 拱肋矢 跨
2、比等设 计指标对 下承式刚架 系杆拱桥 的动力性能 与地震 响应性 能 的影 响 , 总结下 承式 刚架系杆 拱拱桥的动力学变 化规律及 地震响应变化规律 。 关键词 钢管 混凝土拱桥 动力 抗震 1分析模 型 介绍 本研究报告所拟拱桥体系有限元计算模型共 分 7大模 块 ( 见 图 1 ) : 拱 肋 钢 管 、 拱 肋 钢 管 内 昆 凝 土 、 两 拱肋 间 横撑 、 桥 墩 、 吊杆 、 系杆 、 桥 面 系 。拱 肋钢 管单元 与拱 肋 钢 管 内混凝 土 单元 共用 相 同节 点 ; 两 拱 肋通 过 横 撑 连 接 ; 拱 肋 与 桥 墩 固结 ; 桥 面 系与拱 肋 间通 过
3、吊杆 连 接 。 图 1 桥梁有 限元 离散 图 收稿 日期 : 2 0 0 7 1 l - 1 3 为节省计算 时间 , 拱肋钢 管混凝 土桁架简化 为箱形钢梁截面梁 、 箱形混凝土梁截面梁, 各构件 简 化原 则 : 不 改 变构 件 的截 面 面积 、 截 面 惯性 矩 。 桥面系用梁格法模拟成纵横梁体系。 分析软 件为 ANS YS I O 0 。在计算模 型 中, 吊杆 及 系杆 用空 间 杆单 元 L I NK8 模 拟 , 其 他构件 用 空 间梁单 元 B E AM4 4 模 拟 。 忽略 地基 土对 结 构 的影 响 , 桥 墩 底 节 点各 自 由度 固结 。 地震反应分析
4、采用单点反应谱法。反应谱曲 线线形取用文献 1 图 5 1 5 ; 反应谱 曲线各参数 初始值 由参考 文献 2 中拱桥 分析 思路并结 合 文献 3 确定 , 特 征周 期 取 0 4 S , 水平地震 影 响系数 最 大 值 a 。 取 0 4 5 ( 一 0 22 2 5 , 相 当于 未 来 5 O 年 超 越 概 率 为 1 0 9 6 ) , 阻 尼 比 取 0 0 2 8 。 坏, 此时达到结构的极限荷载。拱肋钢管在 1 6 倍 双线活载时达到屈服应力 , 至极 限荷载时处于屈 服阶段 , 横撑最大 Mi s e s 应 力值为 8 8 6 MP a , 仍 处 于弹 性 阶段
5、。 在 工况 1 作 用下 , 在 接 近极 限荷 载 时 , 拱 肋 横 向变形 增 长很 快 , 横 向最 大变 形 值 为 6 8 8 4 mm; 竖 向变 形 主梁 变 形最 大 , 达 到 4 2 6 5 mm, 相 应 挠 跨 比为 1 3 0 0 , 而 拱 肋 竖 向 最 大 变 形 为 2 4 8 6 8 mm; 在工况 2作用 下 , 拱肋 的横 向变形值 较小 , 其 吊杆 达到极 限应力 而破 坏 。拱 肋 的竖 向变 形 比 工 况 1大得 多 , 达 到 3 0 9 0 6 mm, 增 长 了 2 4 3 9 6 ; 主梁变形也 比工况 l略大 , 达到 4 3 2
6、 3 2 mm, 相 应 挠跨 比为 1 2 9 6 。 ( 4 )通 过 对 极 限承 载 力 过 程 的分 析 , 结 构最 小活 载安 全 系 数 为 1 6 3 5 1 , 具 有 足 够 的 安 全 储 备, 表明该方案安全可靠 , 设计合理 。由于本桥的 拱肋横撑较强 , 其成桥稳定系数较高 ; 同时由于提 篮拱的非保 向力效应 , 其稳定系数得到很大提高 ; 而采用合理布置 的“ K” 撑及“ 米” 形撑 , 对全桥 的 稳定性提高影响显著 ; 相对 于平行布置 的吊杆而 言 , 尼尔森体系的交叉布 置吊杆对 于提高全桥稳 定 性是 有益 的。 参考 文献 1 万鹏 大跨度 钢拱
7、桥极 限承载力综合三因素检算 方法研究 D 成 都 : 西南 交通大学 , 2 0 0 5 2 乔长 江大跨度钢 管混凝土 系杆拱桥整体 稳定性研 究 D 武汉 : 武汉理工 大学 , 2 0 0 6 3 蔡绍怀 现代 钢管 混凝 土结 构 M 北 京 : 人 民交通 出版 社 , 2 0 0 3 4 杨 磊提篮式拱 桥力学性能分析及施工 控制研究 D 郑州 : 郑州大学 , 2 0 0 5 维普资讯 1 0 刘声树 朱慈勉 : 钢管混凝 土拱桥 动力性 能及抗震性能研究 2 0 0 8年第 2期 2 拱桥动力性能及地震响应性能分析 通常在桥梁方案设计阶段 , 桥跨及桥宽均由 客观因素确定,
8、本文主要研究横撑、 拱肋倾角 、 拱 肋矢跨 比、 桥墩刚度 、 吊杆间距 、 拱轴线形等设计 参数对 拱桥 动力性 能 及地震 响应性 能 的影 响 。 2 1 横撑对拱肋动力性能及地震响应性能的影响 钢管混凝土拱桥 由于拱肋材 料强度高 , 随着 跨径的增大和宽跨 比的减小 , 横 向刚度不足的问 题较为突出。横撑 的布置与选型是钢管混凝土拱 桥横向刚度的决定性 因素 , 其对钢管混凝 土拱桥 的横向动力性能亦有不可忽视的影响。 国内已建大跨度钢管混凝 土拱桥 中, 横撑形 式一般 有一 字撑 、 K 撑和米 字 撑 3种 。 分析结果表明 , 有 2个振型 的贡献显著大于 其他振型: 拱
9、肋面外半波振动 ( 见图 2 ) 和拱肋一 桥 面系半波反向振动( 见 图 3 ) 。这 2个振型对体 系 地震响应 的贡 献 为体 系 总地 震 响应 的 8 O 9 O 。 图 2 拱 肋面外半波振 动 图 3 拱 肋一 桥面系面外反 向半波振 动 图 4表示两拱肋 间横撑数量从 0到 2 O变化 时 , 结构 的地震 响应 性能 变化 情况 。 一 字撑 的增减对 拱桥抗震 性能 的影 响比较 小 。当一 字 撑数 目从 0变 化 到 2时 , 拱肋 跨 中横 向位移减小 1 4 , 拱脚轴 向内力增加 2 5 , 拱脚 横向弯矩减小 8 ; 当一字撑数 目从 3变化 到 2 O 时 ,
10、 拱肋跨 中横 向位移减小 3 , 拱脚轴向内力增 加 8 O , 拱脚横向弯矩减小 1 3 ( 见图 4 a ) 。 K撑数 目的增减对拱桥抗震性能的影响则 比 较 大 。当 K 撑数 目从 0变化 到 6时 , 拱肋 跨 中横 向位移减小 5 8 , 拱脚轴 向内力增加 5 0 0 , 拱脚 横 向弯矩减小 3 3 ; 当 K撑 数 目从 6变化到 2 O 时, 拱肋跨 中横 向位移减小 1 9 , 拱脚轴 向内力 增加 7 5 , 拱脚横向弯矩减小 5 4 ( 见 图 4 b ) 。 当横撑数 目从 0变化到 2 O时 , 米字撑对应体 系的地震响应 性能的变化规律与 K撑对应 体系 的
11、变化 规律基 本相 似 。 2 静 虐 据 蠡 鬟 ; 弓 o 一 静 虐 蠡 蝼 o L 8 4 L 8 3 上 8 2 L 8 1 L 8 0 4 8 1 2 1 6 2 O 横 撑 数量 a ) 一字 撑 O 4 8 l 2 1 6 横撑数量 b ) K 撑 O L 8 4 L 8 3 上 8 2 L 8 l 上 8 图 4 横撑 数量一 控制截 面横 向弯矩 图 横撑的本质是将作用于拱肋的横向力通过横 撑斜 杆 的作 用转 化 为拱肋 的轴 向力传递 给桥 梁下 部结构 。当桥跨范 围内只有一字撑时 , 横 向力则 只 能通过 拱肋 的横 向剪 力 传 递 给 桥 梁 下部 结 构 ,
12、 而 K撑的斜撑杆则能有效地将横 向力转化 为拱 肋轴向力 , 以轴向力的形式传递给桥梁下部结构 , 故带有斜 向撑杆 的 K撑对拱肋 的力学性 能的优 化 远远 优于 一字 撑 。拱肋 所 受 的横 向水 平 荷载相 对 于轴 向力 来说 比较 小 , 适 当设 置几 个 斜 向撑杆 便 能满 足受力 要 求 , 故 过 多 地设 置 K撑 已无 多大 力学意义 ; K撑的斜 向撑杆较米字撑斜 向压杆布 置 均匀 , 所 以相 同 的斜 向 撑 杆 ( 即两 个 K 撑 与一 个米字撑) 作用下 , K撑的效果更好。 以上分 析表 明 , 下 承 式 刚 架 系杆 拱 桥 的横 撑 设计 ,
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