大跨度鋼桁拱橋地震反應(yīng)分析（交通）
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大跨度鋼桁拱橋地震反應(yīng)分析（交通）
劉 斌 王 瓊
（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056）
摘要研究橋梁的地震反應(yīng)是建立合理抗震體系，采取有效抗震措施的根據(jù)。以某在建大跨度
鋼桁拱橋?yàn)檠芯繉ο�，通過橋梁分析軟件midas Civil建立空間結(jié)構(gòu)有限元分析模型，計(jì)算和分析了該大跨度鋼桁拱橋的動力特性，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用時(shí)程分析法計(jì)算了該橋的地震響應(yīng)，分析了該橋在2組不同地震波輸入下結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和規(guī)律性。
關(guān)鍵詞 鋼桁拱橋 動力特性 地震反應(yīng) 時(shí)程分析
某公鐵兩用鋼桁拱橋，主橋采用96 m+164m+436 m+164 m+96 m中承式5跨連續(xù)鋼桁
拱橋，雙層橋面布置，上層為雙向6車道，橋面總寬29.0 m，下層中間為城市雙線軌道交通，兩側(cè)為人行道。主橋主跨為桁拱結(jié)構(gòu)，邊跨及次邊跨為平桁結(jié)構(gòu)，2片主桁間距27.8 m，拱頂至中墩支點(diǎn)高度為109 m。全橋基本節(jié)間距為12 m，部分區(qū)段采用14 m節(jié)間。
主跨主梁采用無斜腹桿的柔性框架梁，其主梁的上下弦桿作為主拱的上下層系桿。吊桿橫向間距與桁寬相同，為27.8 m，縱向間距與主桁節(jié)間布置相同，每個(gè)吊點(diǎn)處的吊桿采用2根
7-127絲的高強(qiáng)度平行鋼絲束組成，吊桿上端錨固于拱肋下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置的錨梁上，下端錨固于上系桿節(jié)點(diǎn)處設(shè)置的錨梁上。
主梁橫斷面由主梁弦桿、整體橋面板組成，在節(jié)點(diǎn)處（吊桿處）設(shè)置有由主桁豎桿、上下層橋面橫梁及加強(qiáng)撐桿組成的橫向勁性框架結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)撐桿橫向距橋梁中心線6. 75 m。
上層公路橋面系由整體橋面板和橫梁組成，橋面板采用正交異性鋼橋面板，橋面板板厚16mm，采用U形閉口肋，縱向每3m設(shè)置l道橫隔板，橫向布置6道縱梁，縱梁間距4.5 m。下層輕軌橋面系采用縱、橫梁體系，在主桁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置1道橫梁，橫梁梁高1.8 m。
1結(jié)構(gòu)計(jì)算模型
主桁架和拱的各構(gòu)件采用三維梁單元，吊桿采用空間桿單元，每根索視為一個(gè)單元，設(shè)為只受拉單元。橋面板考慮到U肋及板肋參與實(shí)際受力采用等效剛度法，換算出板單元在有限元計(jì)算模型中的厚度，其幾何位置按照等效剛度換算法獲得的橋面板形心來確定。在有限元模型中正交異性橋面板采用板單元模擬，橋面板和主桁架節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式連接。按照以上方法建立鋼桁拱橋的結(jié)構(gòu)分析模型，見圖1。
2模態(tài)分析
按上述橋梁結(jié)構(gòu)分析模型，采用橋梁分析程序midas Civil對該橋進(jìn)行模態(tài)分析，得到橋梁前6階自振頻率及相應(yīng)振型計(jì)算結(jié)果，見表1。圖2為midas Civil繪出的結(jié)構(gòu)部分振型圖。
從鋼桁拱橋的模態(tài)分析結(jié)果可以看出：
(1)前幾階振型主要表現(xiàn)為主拱橋面?zhèn)葟�、主拱橋面豎彎等基本形態(tài)，由于結(jié)構(gòu)在各方向的剛度大小不同，表現(xiàn)在振型上為相應(yīng)振型出現(xiàn)的次序提前或后移。
(2)采用公鐵兩用雙層橋面，尤其是公路橋面采用正交異性鋼橋面板，因此，結(jié)構(gòu)具有足夠的豎向剛度。這一點(diǎn)反映在豎彎頻率(0. 456 3 Hz)較橫彎頻率(0. 333 1 Hz)高。
(3)主梁由于采用帶正交異性鋼橋面板的桁架結(jié)構(gòu)，其扭轉(zhuǎn)剛度較大，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型在第6階出現(xiàn)，扭頻為0. 849 7 Hz，這有利于增強(qiáng)橋梁的抗風(fēng)能力。
3時(shí)程分析
目前，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和分析中，對于結(jié)構(gòu)地震需求的預(yù)計(jì)大部分是通過動力時(shí)程分析方法獲得，這是目前結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法中最精確的一種。我國除了對常用規(guī)則的建筑仍采用反應(yīng)譜方法外，對重要、復(fù)雜、超過規(guī)定高度的建筑，其抗震計(jì)算都建議采用動態(tài)時(shí)程分析法。反應(yīng)譜只能得到結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)，而時(shí)程分析得到的是結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)時(shí)程，可詳細(xì)了解結(jié)構(gòu)在整個(gè)地震持時(shí)內(nèi)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，掌握地震動的三要素：振幅、頻譜、持時(shí)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，也為發(fā)展多重抗震設(shè)防的設(shè)計(jì)方法提供了分析基礎(chǔ)，是結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析的有力工具。
采用時(shí)程法進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，一般采用地震加速度時(shí)程作為地震動輸入。選擇加速度時(shí)程時(shí)，必須把握住3個(gè)特征，即加速度峰值的大小、波形和強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間。加速度時(shí)程的波形對分析結(jié)果影響很大，因此需要正確選擇。
3.1 El-Centro地震波輸入下橋梁地震反應(yīng)
由《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》查得橋址地震動峰值加速度為0.1 g，需要對El-Centro地震波進(jìn)行修正，El-Centro地震波的南北向地震動峰值加速度為0. 356 9 g，0.1／0. 356 9=0. 280 2，所以對El-Centro( N-S)地震波加以0.280 2系數(shù)的修正，結(jié)果見圖3。
計(jì)算總長度為60 s，地震動沿橋的縱向輸入，不考慮地基與橋梁基礎(chǔ)的相互作用，橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比取0. 03，內(nèi)力結(jié)果考慮自重，1／4拱肋處的各方向位移時(shí)程曲線見圖4，拱頂處各方向位移數(shù)據(jù)見表2。
由圖4、表2可見，在縱向地震力作用下，拱頂與拱肋1／4截面以縱向和豎向振動為主，拱橋主拱1/4處截面的豎向位移要比縱向位移大，可以看出振動主要以拱肋的豎彎振型為主。
各截面反映的內(nèi)力時(shí)程取1/4截面處為代表作圖，見圖5。地震力一致激勵(lì)下不同截面內(nèi)力峰值見表3。
3.2 Taft地震波輸入下橋梁地震反應(yīng)
同理，需要對Taft地震波進(jìn)行修正，其地震動峰值加速度為0. 179 3g，0.1／0. 179 3 -0. 557 7，所以對Taft地震波加以0.557 7系數(shù)的修正，結(jié)果見圖6。
Tatf地震波作用下主拱圈關(guān)鍵截面各方向位移數(shù)據(jù)見表4，各截面內(nèi)力峰值見表5。
3.3 2種地震波計(jì)算結(jié)果對比
主拱圈關(guān)鍵截面分別在El-Centro和Tatf地震波激勵(lì)下的內(nèi)力和位移數(shù)據(jù)見表6。
表6中的計(jì)算結(jié)果表明，與Tatf激勵(lì)下的內(nèi)力、位移相比，在El-Centro波激勵(lì)下，1／4關(guān)鍵截面的軸力、彎矩相差偏大（分別是10%，15%）。可見在作時(shí)程分析計(jì)算時(shí)，對于地震波的遴選是很重要的工作，即使相同幅值和持時(shí)的地震波，時(shí)程分析的結(jié)果也可能相差甚遠(yuǎn)。
在進(jìn)行時(shí)程分析過程中，真正關(guān)鍵的是地震波的輸入，若選擇的地震波與場地實(shí)際情況不同，則無法得出正確結(jié)論。地震波曲線通常為一隨機(jī)振動曲線，難有規(guī)律可尋，無法用典型的數(shù)學(xué)曲線描述，如果有該場地的強(qiáng)震記錄最為理想，若沒有，則應(yīng)盡可能地選擇震級、震中距和土壤性質(zhì)、卓越周期等條件相近的強(qiáng)震記錄作為輸入地震波的基本頻譜。為了更具代表性，通常要選擇多條地震波作時(shí)程分析，以便相互比較，做出判斷。
4結(jié)論
(1)大跨度鋼拱橋有第一階自振周期長的特點(diǎn)，說明大跨度拱橋?yàn)槿嵝越Y(jié)構(gòu)。
(2)鋼拱橋的面外剛度小于面內(nèi)剛度，因此結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意橫向設(shè)計(jì)，加強(qiáng)面外穩(wěn)定。動力特性受橫撐數(shù)量、拱肋剛度因素的影響。
(3)另外由于大跨度鋼拱橋多為柔性結(jié)構(gòu)，自振周期較長，耦合振型較多，所以采用振型疊加法時(shí)應(yīng)計(jì)入更多的振型（振型參與質(zhì)量90%以上），以減少質(zhì)量缺損所帶來的不利影響。
(4)不同地震波時(shí)程響應(yīng)分析計(jì)算結(jié)果關(guān)鍵截面處差異偏大。對于本例，與在Taft波激勵(lì)下的內(nèi)力、位移相比，在EL-Centro波激勵(lì)下，1／4關(guān)鍵截面的軸力和彎矩相差偏大。
本文在建模和計(jì)算時(shí)并未考慮基礎(chǔ)與土的相互作用以及非線性等因素，擬在下階段對大跨鋼桁拱橋地震響應(yīng)作進(jìn)一步的研究。
