第19卷 第9期 中 国 水 运 Vol.19 No.9 2019年 9月 China Water Transport September 2019 大跨度上承式钢管混凝土拱桥的动力分析汪勇刚，安竹石 （贵州大学 土木工程学院，贵阳 花溪 550025） 摘 要：本文研究依据贵州某座大跨度上承式钢管混凝土拱桥的建设项目，施工采用无支架斜拉扣挂缆索吊装法，节段间接头用内法兰盘加搭接套管连接，弦管内注入C55微膨胀混凝土。依靠MIDAS Civil有限元分析程序采用自振特性、反应谱和时程分析的方法对该桥进行动力计算，结果反映出相应动力特性指标且证明结构满足规范要求。 关键词：大跨度；上承式；钢管混凝土拱桥；动力分析 中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）09-0191-02 引言 我国对钢管混凝土拱桥的静力研究相当充分，但动力分析还不够[1]。利用有限元分析程序对桥梁自振及抗震性能进行研究的成果丰富[2]。反应谱与时程分析法可计算出构件内力的时程变化关系，观察结构在地震下的反应[3]。本论文研究主要考虑大桥在500年一遇地震（E1）及2500年一遇地震（E2）下的动力反应。结果总结出该桥的动力响应规律，并表明该桥结构满足规范要求。 一、工程背景 1．项目情况 桥跨布置为7×30m（先简支后连续T梁）+280m（上承式钢管混凝土变截面桁架拱桥[4,5]）+5×30m（先简支后连续T梁），主跨280m，桥宽16m，立面布置如图1。 图1 大桥的立面布置 该桥位于溶侵蚀型地貌，地势起伏大，相对高差327m，两岸纵坡陡。 2．主要技术指标 二级公路，Ⅰ级荷载，Ⅱ类场地，40km/h设计车速，7度抗震设防烈度，地震加速度0.1g。 3．主拱圈结构 该桥主拱为四肢桁式，由上、下弦8根弦管及腹杆、横联杆等杆件构成，如图2。 振型编号 1 2 3 4 5 6 7 8 二、动力分析 1．基础模型 利用MIDAS Civil对该桥建立有限元模型，全桥划分3,168个单元，1,807个节点。腹竖杆、立柱斜撑杆和扣锁采用桁架单元模拟，其他采用梁单元模拟。基础模型如图3。 图3 大桥有限元基础模型 2．荷载工况 按照公路设计规范JTG D60-2015，采用（1.2自重＋1.0混凝土收缩徐变＋1.0沉降＋1.4汽车荷载＋0.75×1.4人群荷载＋0.75×1.4风荷载）×1.1的荷载组合。 3．自振分析 根据MIDAS Civil动力分析模型得到该桥前十阶自振特性，如表1。 表1 该桥自振特性表 频率（Hz） 0.28366 0.47831 0.58337 0.69851 0.97155 0.99282 1.04435 1.26311 1.31944 1.46999 周期（s） 3.521 2.09070 1.71419 1.43162 1.02928 1.00723 0.95753 0.79169 0.75790 0.68028 振型描述 拱梁同向对称横向弯曲 拱梁同向反对称横向弯曲 拱梁同向反对称竖向弯曲 主梁对称横向弯曲 主梁反对称横向弯曲 拱梁对称竖向弯曲 拱梁不同向反对称竖向弯曲 拱梁不同向横向对称弯曲 主梁对称横向弯曲 拱梁不同向横向反对称弯曲 图2 主拱横断面 收稿日期：2019-03-29 9 10 作者简介：汪勇刚（1990-），男，贵州大学土木工程学院在读研究生，研究方向为桥梁工程。 安竹石（1960-），男，贵州大学土木工程学院副教授，研究方向为桥梁工程。 192 中 国 水 运 第19卷 将蒙华洛河大桥、支井河特大桥及千岛湖一号特大桥前十阶振频[6-8]与该桥各阶振频进行比较分析，如表2。 表2 不同上承式钢管混凝土拱桥前十阶振动频率 振动频率（Hz） 阶数 矢跨比1/5 矢跨比1/5.5 矢跨比1/6.5 矢跨比1/5 蒙华洛河大桥 支井河特大桥 千岛湖一号特大桥 该大桥 1阶 0.372 0.1468 0.3628 0.28366 2阶 0.48 0.2326 0.5716 0.47831 3阶 0.7 0.2516 0.619 0.58337 4阶 0.767 0.298 1.0266 0.69851 5阶 0.856 0.3375 1.0759 0.97155 6阶 0.87 0.4088 1.3986 0.99282 7阶 0.999 0.41 1.58 1.04435 8阶 1.172 0.5312 1.7422 1.26311 9阶 1.32 0.6301 1.81 1.31944 10阶 1.341 0.6691 2.0072 1.46999 4．反应谱分析 根据规范（JTG D60-2015），该桥属于单跨超150m的A类特大桥，需对其采用50年超越概率10%（E1）和50年超越概率2%（E2）两种地震动水平进行抗震设防计算。通过选取承载能力极限状态偶然组合（恒载+地震），对该桥在E1和E2下进行水平地震加速度反应谱分析，可得到主拱在E1和E2下所受轴力和弯矩，从而进一步确定出主拱最不利部位，如表3所示。 表3 E1与E2下主拱最不利部位内力 E1 E2 主拱最不利部位 组合N 组合M 组合N 组合M （kN） （kN·m） （kN） （kN·m） 拱脚段 21,113 8 22,114 840 1/4段 12,311 422 14,790 431 拱顶段 13,295 381 13,552 1,326 5．动力时程分析 对该桥进行动力分析所采用的地震波形式是从已有地震记录里按最符合大桥实际条件的原则挑选的。通过实域调整选取样本1、2、3三组地震波，见表4。 表4 样本1、2、3三组地震波 放大系数 样本1 样本2 样本3 E1（50年超越概率10%加速度） 1.23 2.00 0.23 E2（50年超越概率2%加速度） 2.09 3.41 0.40 对该桥在样本1、2、3下进行时程分析，得到样本3最不利的结论，通过样本3及E1、E2下的主拱轴力和弯矩，进一步确定出主拱最不利部位，如表5所示。 表5 最不利样本3 及E1和E2下主拱最不利部位 E1 E2 主拱最不利部位 组合N 组合M 组合N 组合M （kN） （kN·m） （kN） （kN·m） 拱脚段 22,474 907 25,056 1,238 1/4段 16,065 4 17,074 743 拱顶段 15,066 2,328 15,840 3,259 三、计算分析结果 本文从自振、反应谱和时程三方面对贵州某大跨上承式钢管混凝土拱桥进行研究分析，结果表明该桥主拱抗震验算截面内力均较承载能力极限状态组合中的内力小，地震下结构承载能力满足规范要求。主要结论如下： （1）大桥前10阶振型较紧凑，包含主梁和拱梁横向弯曲振动、拱梁竖向弯曲振动等，结构面内抗弯刚度比面外强；该桥整体刚度合适。 （2）大桥振动曲线与蒙华洛河大桥振动曲线基本一致，可知同矢跨比钢管混凝土拱桥的自振特性比较一致。 （3）大桥前60阶模态振型参与质量累计达到99.71%，满足规范要求；无论E1或E2，拱脚轴力明显最大，有必要在拱脚区域进行局部加强。 （4）在最不利地震样本3下，无论E1或E2，弯矩从拱脚到拱顶先减小后迅速增大，在拱顶处达到极值；地震下最不利受力满足规范要求。 参考文献 [1] 覃继平.钢管混凝土拱桥静动力分析[D].广州：广州大学，2016. [2] 沈兆坤.桥梁结构自振特性测试分析方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2014. [3] 谢开仲.钢管混凝土拱桥抗震分析与评估方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2017. [4] GB 50932-2013，钢管混凝土拱桥技术规范[S]. [5] JTG/T D65-06-2015，公路钢管混凝土拱桥设计规范[S]. [6] 熊起.上承式钢管混凝土拱桥静动力分析及参数影响分析[D].成都：西南交通大学，2018. [7] 曾勇，马如进，谭红梅.大跨上承式钢管混凝土拱桥的动力特性研究[J].中外公路，2014，34（3）：113-117. [8] 张强.上承式钢管混凝土拱桥动力特性分析[J].中国市政工程，2013，4（2）：22-25.
