浅谈中、下承式拱桥抗震性能分析

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1、郑州大学硕士学位论文中、下承式拱桥抗震性能分析姓名：张广坡申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：陈淮20070418郑州大学硕士学位论文摘要桥梁是交通运输系统中的枢纽工程，也是抗震防灾系统中的一个重要组成部分，强烈地震中桥梁设施严重损坏、倒塌不但会直接造成巨大的直接经济损失，而且会切断当地的交通路线，使震后救灾工作愈发困难，次生灾害不断加重，所以提高桥梁的抗震性能是减轻地震损失、加强区域安全的基本措施之一。中、下承式拱桥具有突出的美学效果，在我国桥梁工程中得到广泛应用，由于中、下承式拱桥是近期发展起来的一种新型桥型，没有

2、受到强烈地震检验，桥梁的抗震性能如何，困惑着桥梁设计和管理工作者。本文对中、下承式拱桥的地震响应进行研究，所得结论对了解中、下承式拱桥的抗震性能具有重要的实用价值。本文以平行式、提篮式和斜靠式3种中、下承式钢筋混凝土拱桥为工程实例，采用有限元程序MIDAS／Civil对桥梁进行仿真计算，用空间梁单元模拟拱肋、系梁、端横梁、中横梁和纵梁等构件，用板单元模拟桥面板，用只承受拉力的桁架单元模拟吊杆，建立了平行式、提篮式和斜靠式3种中、下承式拱桥的空间有限元计算模型，对其进行动力性能和地震响应计算，比较了3种不同桥型自振特性的特点，

3、得出了3种拱桥在纵向、横向地震作用下的位移、内力最大响应值，所得结果可为该类拱桥抗震设计和养护提供参考。本文完成的主要工作和取得的结论如下：1．中、下承式钢筋混凝土拱桥动力性能计算分析结论：(1)振型主要有拱肋面外横向振动、结构整体竖向振动和扭转振动3种形式，在高阶振型中才出现桥面系的横向振动。(2)3种拱桥中斜靠式拱桥的振型比其它两种拱桥的振型密集，桥面系的面内刚度，结构整体竖向刚度和扭转刚度也比其它两种拱桥刚度大。(3)3种拱桥都是首先出现拱肋的面外横向振动，低阶振型均以拱肋面外横向振动为主，拱肋的横向自振频率小于竖向自

4、振频率，拱肋横向刚度明显小于竖向刚度。(4)斜靠式拱桥的横向振动基频比平行式拱桥和提篮式拱桥的横向振动基频大，自振周期最小，第1阶振动周期为1．616s，说明此类拱桥属于较柔性结构，在采用振型迭加法计算桥梁地震响应时应适当考虑高阶振型的影响。(5)3种拱桥的竖向振动都表现为桥梁结构整体竖向振动，这是由于拱肋与系杆梁之间设有多根吊杆相连，使得拱肋和桥面在竖向出现同步振动的特征。(6)3种拱桥的扭转振动都出现较晚，这是由于桥梁主拱和桥面系杆梁之间设有吊杆，端横梁又与系杆梁组成桥面平面内框架体系，使得这种桥型整体扭转刚度较大。2．

5、中、下承式钢筋混凝土拱桥抗震时程计算分析结论：(1)在纵向地震作用下，3种拱桥的纵向位移、竖向位移与横向位移相比较大，但各个方向的位移总体都比较小，纵向和竖向位移最大值在1／4跨或其附近出现；3种拱桥对应位置的纵向、竖向与横向位移差别较小。郑州大学硕士学位论文(2)在横向地震作用下，3种拱桥的位移响应以横向位移为主，横向位移明显比纵向和竖向位移大，横向位移最大值都出现在跨中或者靠近跨中的位置，原因是拱肋的面外刚度较小，横向地震作用是面外荷载，所以，拱肋的横向位移较大，计算结果符合物理概念。(3)在纵向地震作用下，3种拱桥拱肋

6、的轴力较大，剪力较小，且横向剪力比竖向剪力小，拱肋的拱脚处各项内力均较大，跨中部位竖向剪力较大，其它各项内力较小；横撑连接处拱肋的横向和竖向剪力都比较大，这是因为在跨中截面位置，纵向地震作用对于桥梁纵向来说相当于施加水平反对称荷载，对称性内力的响应比较小，反对称的内力响应比较大，计算结果符合物理概念；拱脚处和拱项横撑连接处为结构受力最不利位置。(4)在横向地震作用下，3种拱桥的内力与在纵向地震作用下的内力相比，横向剪力和面外弯矩有明显的增加，轴力和面内弯矩变化不大，但各项内力仍然是在拱脚部位较大，横撑连接处拱肋各项内力都有不

7、同程度的增加，说明拱脚处和拱顶横撑连接处在横向地震作用下受力复杂，是结构受力最不利位置。(5)在Elcentro地震波和Taft地震波作用下，3种拱桥的地震响应均有不同程度的变化，前者作用比后者作用时的地震响应大，说明地震波的频谱特性对桥梁结构的地震响应有一定的影响。(6)3种桥型的主拱拱脚和拱顶横撑处的内力或应力绝对值较大，应作为抗震设计时的控制截面；无论是拱脚截面还是拱顶横撑连接处，横向地震作用时的应力都比纵向地震作用时的应力大，说明横向地震作用起控制作用；综合考虑结构的纵向、横向和竖向位移，斜靠式拱桥的位移响应较小，抗

8、震性能相对较好。关键词：中、下承式拱桥；抗震性能；动力特性；有限元法郑州大学硕士学位论文ABSTRACTBridgeisthepivotalprojectoftransportandisacrucialpartoftheanti—earthquakedisasterpreventionsy