三跨中承式钢管混凝土拱桥抗震性能分析.pdf
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1、第 3 9卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 8 5 三跨中承式钢管混凝土拱桥抗震性能分析 张晨 , 徐勋倩 , 陈 静 ( 1 南通大学杏林学院, 江苏 南通2 2 6 0 1 9; 2 南通大学建筑工程学院, 江苏 南通2 2 6 0 1 9 ) 摘要: 对某三跨中承式钢管混凝土拱桥进行了抗震分析 , 按照“ 统一理论”将拱肋换算为一种材料, 通过模态分 析得到结构的固有频率和振型。采用 R a y l e i g h阻尼进行基本烈度和罕遇地震下的时程分析 , 得到不同加速度峰
2、值 下的最大内力 、 变形。结果表明: 该拱桥以横桥向振动为主, 拱肋平面外的刚度与平面内刚度相 比较小 , 符合物理 概念; 拱脚的内力普遍大于拱顶, 需综合考虑不同工况确定极值内力; 拱桥在地震下的力学性能较好, 能够满足规 范关于常遇和罕遇地震下的强度与延性的规定。 关键词 : 钢管混凝土拱桥; 抗震分析; 统一理论; R a y l e i g h阻尼 中图分类号: U 4 4 8 2 2 5 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 61 8 5 0 4 S e i s mi c a n a l y s i s 0 f a 3 - s p
3、 a n ha l f - t h r o u g h CFS T a r c h b r i dg e Z HANG C h e n l 1 , XU Xu n q i a n , CHE N J i n g ( 1 S c h o o l o f X i n g l i n , N a n t o n g U n i v e r s i t y , N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 , C h i n a ; 2 S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e E n g i n e e r i n g , N a n t o n g U
4、n i v e r s i t y , N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 , C h i n a ) Ab s t r a c t : A 3 - s p a n h a l f - t h r o u g h C F S T a r c h b r i d g e i s a n a l y z e d t o o b t a i n t h e s e i s mi c b e h a v i o u r T h e C F S T a r c h ri b s a r e c o n v e rt e d i n t o o n e ma t e ri a l a c
5、c o r d i n g t o Un i fie d T h e o r y T h e mo d a l c h a r a c t e r i s t i c i s a n a l y z e d, a n d t h e n a t u r al e q u e n c y a n d v i b r a t i o n f o r m a r e o b t a i n e d T h e d y n a mi c t i me h i s t o ry a n a l y s i s wh i c h a d o p t s t h e Ra y l e i g h d a m
6、p i n g i s c a r r i e d o u t u n d e r s e i s mi c f o r t i fi c a t i o n i n t e n s i t y a n d b a r e l y o c c u r r e d e a r t h q u a k e T h e ma x i n t e r n a l f o r c e s a n d d e f o r ma t i o n a r e o b t a i n e d u n d e r d i f f e r e n t a c c e l e r a t i o n p e a k
7、v a l u e T h e r e s u l t s d e mo n s t r a t e : t h e s t i f f n e s s o u t o f t h e a r c h r i b s p l a n e i s s mall e r , a n d t h e v i b r a t i o n a n d d e f o r ma t i o n o u t o f t h e p l a n e a r e ma i n l y o b s e r v e d u n d e r e a r t h q u a k e ; t h e i n t e rn
8、a l f o r c e s a t t h e e n d o f t h e a r c h r i b a r e c o mmo n l y l arg e r t h a n t h o s e a t t h e t o p o f t h e a r c h rib ; t h e max i n t e rnal f o r c e s mu s t b e d e t e rm i n e d b y s e v e r al d i f f e r e n t s i t u a t i o n s ; t h e s e i s mi c b e h a v i o r
9、 o f t h e CF S T a r c h b r i d g e i s e x c e l l e n t , wh i c h c a n a c c o r d wi t h t h e s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y l i mi t s u n d e r n o r ma l a n d b a r e l y e a h q u a k e a c t i o n i n t h e c o d e s Ke y wo r d s : CF S T a r c h b r i d g e ; s e i s mi c a
10、n a l y s i s ; Un i fi e d T h e o r y; Ra y l e i g h d a mp i n g O 引 言 钢管混凝 土结构具有 力学性能优异、 施工方便 和经济效益优良等优点, 特别适合应用于重型厂房、 大跨桥梁等结构中。自从 1 9 9 0 年我国第一座钢管 混凝土拱桥 四川旺苍东河大桥建成 以来 , 二十年间 先后建成了三百多座钢管混凝 土拱桥 , 充分说 明了 这种桥型的突出优势和极强的适应能力。 近些年全球范围内地震活动频繁 , 世界各地陆 续发生较大烈度 的地震 , 如 2 0 0 8年 四川汶川地震 、 2 0 1 0年青海玉树地震 以及
11、 2 0 1 1年 1 3 本本州岛海域 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 5 - 0 2 作者简介: 张晨( 1 9 8 1 一) , 男, 山西长治人, 讲师, 在读博士, 主要 从事结构工程的研究。 基金项目: 交通运输部科技项目( 2 0 1 1 3 1 9 8 1 6 5 0 0 ) ; 南通市科技项 目 ( B K 2 0 1 1 0 4 7 ) ; 南通大学杏林学院科研基金项 目( 2 0 1 2 K1 2 9 ) E m a i l 1 3 9 21 61 3 2 2 6 1 3 9 C O rn 地震等, 给人们的生命财产带来了巨大的损失。上 述大地震的发生促使人们对现
12、有的抗震计算方法和 措施进行反思, 直接导致 了相关规范的修订。我 国 原有 的公路工程抗震设计 规范并未充分 、 真正地考 虑结构弹塑性力学行为, 因此对现有的结构进行抗 震性能评估非常必要 。已有学者对钢结构 、 钢筋混 凝土拱桥进行了抗震分析I 6 , 并给 出结论及优化 加固方案 , 但是针对钢管混凝土拱桥在 罕遇地震下 的动力响应研究较少。本文以某三跨中承式钢管混 凝土拱桥为例 , 采用有 限元分析软件 A N S Y S , 建立 计算模型 , 通过时程分析法分别对其在基本设 防烈 度和罕遇地震烈度加速度峰值下的抗震性能进行分 析, 分析结果可供该类型结构的抗震性能评估参考。 1
13、分析模型及计算参数 1 1 有限元模型 某钢管混凝土拱桥 , 桥梁全长 3 7 4 i n , 主桥为 3 1 8 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 跨 , 跨径为 8 4 m+1 2 0 i n+8 4 in, 桥面净宽 1 0 in, 水 中两个桥墩 , 两个桥 台均在岸上 。中跨 和边跨钢管 混凝土拱肋的拱轴线均采用二次抛物线, 矢跨比均 为 1 4 , 中跨计算跨径为 1 2 0 m, 边跨计算跨径为 8 4 in, 中跨矢高为 3 0 in, 边跨矢高为 2 1 m 。拱肋断面 采用哑铃形 , 中跨拱肋 高为 2 in, 由上 、 下两根直径 为 8 0 0 mm、 壁厚 1 2
14、mm的钢管组成 , 上下管之 间为 4 0 c m高腹板 ;边跨拱肋高为 1 8 in, 由上 、 下两根 直径为 7 5 0 m m、 壁厚 1 0 m m 的钢管组成 , 上、 下管 之间为 3 0 c m高腹板。拱肋钢管和腹板内均浇注 C 4 0混凝土。拱肋及风撑均采用 1 6 Mn钢。吊杆 由 1 0 9根直径 为 5 m m 碳素钢 丝组成 , 吊杆 间距为 6 in。钢筋混凝土空心桥面板支撑 于横梁顶 面 , 各片 横梁独立吊挂在吊杆上。结构横向设置支撑和剪刀 撑。根据桥体几何参数, 建立有限元分析模型, 如图 1 所示。 1 2 计算参数 工程所在地区抗震设防烈度为 7 度, 设
15、计水平 基本地震加速度峰值 为 0 1 g , 场地土类别 类 , 特 征周期 T g = 0 3 5 g , 拱桥设防类别 B类。现行 的公 路桥梁抗震设计细则 中采用两水平 、 两阶段 的设计 思想, 考虑常遇和罕遇地震作用下结构的力学行为, 图 1 拱桥有限元模型 F i g 1 Fi n i t e e l e m e n t mo d e l o f t h e a r c h b r i d g e 分别校核结构的强度和变形。根据建筑抗震设计规 范 G B 5 0 0 1 1 _2 0 1 0 , 常遇和罕遇地震作用下水平加 速度峰值分别取 0 0 3 5 g和 0 2 2 g 。
16、 对 钢管混凝土拱肋 的模拟分析 可采 用两种方 法: 一种方法是将钢管和混凝土分别建模进行计算, 另一种方法是将其视为一种材料进行计算。有学者 根据钢管混凝土结构设 计与施工规程 C E C S 2 8 : 9 0 将钢管混凝土截面换算为等效混凝土截面 J , 这种 方法简单地将钢管和混凝土的刚度叠加 , 未考虑紧 箍效应 的影 响。本文采用 “ 统一理论” 模拟钢管 混凝土材料 , 换算后 的统一材料截面参数及性能指 标 见表 1 。 表 1 “ 统一材料” 拱肋截面特性 Ta b l e 1 S e c t i o n p a r a me t e r o f t h e “ o n e
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