钢-混凝土组合拱桥地震响应效应分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com2013年第4期西南公路X~ANGONGLU钢一混凝土组合拱桥地震响应效应分析何小宇吴庆雄(1．四川广巴高速公路有限责任公司四川广元628000：2．福州大学土木工程学院福建福州I350108)【摘要】利用基于梁单元的双重非线性有限元程序NL_Beam3D，进行了钢腹板一混凝土组合拱桥和钢筋混凝土拱桥的非线性地震响应特性研究，结果表明，与钢筋混凝土拱桥相似，新型组合拱桥在横桥向地震动作用下，拱圈轴力和面外弯矩起主导作用，拱圈拱脚截面进入塑性，塑性区域大致相同；在纵桥向地震动作用下，拱圈轴力和面内弯矩起主导作用，拱圈未进入塑性；横桥向地震动作用

2、下拱圈的地震响应大于纵向地震响应。与钢筋混凝土拱桥不同的是，新型组合拱桥可不考虑纵、横向地震力共同作用的影响，且其地震响应较小，具有较好的抗震性能。【关键词】拱桥；钢一混组合结构；波形钢腹板；平钢腹板；非线性地震响应【中图分类号】U422．55【文献标识码】A桥，波形钢一混凝土组合拱桥简称为RC—CSW拱IJ日IJ舌桥，平钢一混凝土组合拱桥简称为RC—PSW拱桥。钢一混凝土组合拱是指用钢腹板(波形钢板或平采用基于梁单元的双重非线性有限元程序钢板)取代钢筋混凝土拱圈的混凝土腹板，通过连接NLBeam3D建立了RC拱桥、RC—CSW拱桥和件与顶底混凝土板形成一种新型的组合拱结构，根

3、据RC—PSW拱桥的空间杆系有限元计算模型。由于三钢腹板结构的不同可分为波形钢一混凝土组合拱和平座拱桥的有限元计算模型外形相同，故只给出一个钢一混凝土组合拱。采用这种新型结构的拱桥具有有限元模型示意(见图1)。模型中采用同时考虑自重轻，施工方便的优点，可为大跨径混凝土拱桥的轴力和两方向弯矩非线性的纤维单元来模拟拱桥的应用与发展提供一种可能。文献团。以主跨160m主拱圈、立柱和桥道系。钢材的本构关系采用双折线拱为原型，进行钢一混凝土拱桥的试设计，结果表计算模型，屈服后的刚度为Es／100；混凝土采用不明，与原桥相比，试设计拱桥可减轻拱圈自重约考虑抗拉的二次抛物线模型，不考虑压应力

4、下降。30％，也降低了拱圈内力。文献对三向地震动作用采用P一8效应和动坐标法考虑几何非线性的影响。下的波形钢腹板混凝土箱拱桥进行弹性地震响应分自由振动计算时采用子空间迭代法求解特征值，析，通过与钢筋混凝土箱拱动力特性和地震响应特点采用时程分析法进行非线性地震响应分析。采用的对比，得出该新型拱圈结构具有较优越的抗震性Rayleigh阻尼，其两个阻尼系数均设为0．02，两个频能。然而，由于大跨度拱桥抗震分析中材料非线性与率根据地震作用方向的不同而设为不同值。输入地震几何非线性的影响较大，故本文在文献和试动为板块边界型地震动(TypeI)如图2所示。设计研究的基础上，对两座钢腹板一混

5、凝土组合拱桥和混凝土拱桥的非线性地震响应特『生进行研究。1有限元计算模型及计算方法达县州河大桥主跨为净跨160m的悬链线钢筋混凝土箱型拱，净矢跨比为1／4，拱轴系数为2．114。为便于叙述，本文将钢筋混凝土拱桥简称为RC拱图1有限元计算模型学兔兔www.xuetutu.com西南公路进行评价。图5给出了三座拱桥拱脚截面轴力与面：外弯矩的相关曲线图，图中内圈曲线为截面中钢筋矗一最外缘应变达到屈服应变时轴力与面外弯矩的包络渤㈣枷瑚0瑚删㈣咖量线，外圈曲线为截面中混凝土最外缘应变达到屈服应变时轴力与面外弯矩的包络线。由图可见，座拱桥的拱脚截面均产生了较大的轴力和面外弯矩，致使钢筋和混

6、凝土最外缘应变均超过屈服强度，使图2地震波加速度时程曲线拱脚截面进入塑性状态。2非线性地震响应特性2．1固有振动特性三座拱桥的主要自振频率对比见图3。由图可知，三座拱桥的面外一阶固有振动均为对称模态，且均早于面内一阶振动出现；面内一阶竖弯振型均表现为拱桥特有的反对称振型。与RC拱桥相比，RC—CSW拱桥面外一阶对称、反对称基频分别降低(a)轴力26％与55％；RC—PSW拱桥面外一阶对称、反对称一目蚤一：基频分别降低9％、7％，表明RC—CSW拱桥和RC—32l23∞∞∞∞∞∞PSW拱桥的横向刚度均较RC拱桥的刚度小。三座O∞∞∞OO0∞∞∞OOO拱桥的面内一阶对称竖弯基频相差

7、不到10％，表明：＼／一RC—CSW拱桥和RC—PSW拱桥的纵向刚度与RC拱o51o152O253O3540桥相差不大。时间(S)(b)面外弯矩雾【亘面外一阶对称面外一阶反对称面内一阶对称面内一反对称图3三座拱桥主要自振频率2．2横桥向地震动作用当地震动作用于横桥向时，三座拱桥拱脚截面(C)面内弯矩内力时程曲线见图4。由图4可知，三种桥型的拱圈图4拱脚截面内力时程曲线图(横桥向地震动)横桥向受力均是以轴力和面外弯矩为主。由于自重的减小，新型组合拱桥产生的内力均比RC拱桥小，其中RC—CSW拱