王克輝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

新建鐵路蘭州至合作線祁家渡黃河大橋主橋抗震計算分析

王克輝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

新建鐵路蘭州至合作線祁家渡黃河大橋，主橋跨度為180 m勁性骨架混凝土拱橋。通過建立動力有限元模型，分析主橋的動力特性;然后采用反應(yīng)譜方法、線性時程分析方法對該橋的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析;并對主橋拱肋、立柱、拱肋橫撐等構(gòu)件的關(guān)鍵截面進(jìn)行了抗震驗算，計算結(jié)果均滿足設(shè)計規(guī)范的要求。關(guān)鍵詞:勁性骨架 鋼筋混凝土拱橋 動力特性 地震反應(yīng)分析 抗震驗算

1 工程概況

橋位處由洮河引起的淤積嚴(yán)重。根據(jù)資料推測本線跨越黃河處淤積層厚度約為70 m，淤積層厚度直接影響到本線橋式的選擇。同時，橋址區(qū)北岸岸坡巖石易產(chǎn)生順層滑動、崩塌及落石等。為減少大橋施工時對兩岸地層的擾動，設(shè)計時采用跨徑為180 m的上承式鋼筋混凝土提籃拱跨越河谷(見圖1)。拱肋中心距由于穩(wěn)定性要求，需要大于跨度的1/20。為緩解較窄的橋面箱梁與較寬拱肋之間的矛盾，考慮橋梁的整體美觀，將兩分離式拱肋設(shè)置呈變間距。拱頂處兩拱肋中心距采用5.2 m;拱腳處拱肋中心距加寬至12.5 m。因此拱肋呈傾斜布置，拱頂內(nèi)傾3.65 m，其傾角為5.56°。拱肋采用單箱單室截面，拱肋截面寬取2.5 m，拱頂截面高取3.5 m，拱腳截面高取6.0 m，拱頂?shù)焦澳_范圍內(nèi)拱肋高度按立特公式變化。拱肋上每隔14.5 m左右設(shè)一立柱，拱上立柱采用雙斜柱，實心截面，1#—4#立柱、7#—10#立柱尺寸為160 cm(縱向)×200 cm(橫向)，立柱橫撐尺寸為130 cm×100 cm。托盤高1.1 m，寬1.8 m;頂帽高0.5 m，寬2.0 m。

圖1 主跨立面(單位:m)

考慮到連續(xù)梁能增強(qiáng)橋面縱、橫向的剛度，行車條件好，拱頂框架兩端均設(shè)計為橋面縱梁。橋面縱梁采用等高度鋼筋混凝土連續(xù)梁，單箱單室截面，箱梁高1.8 m，頂板寬 9.1 m，底板寬 4.9 m，跨中腹板厚40 cm，頂板厚27 cm，底板厚30 cm。

拱頂采用框架式結(jié)構(gòu)，為避免其與拱圈共同受力而使頂板產(chǎn)生較大的順橋向壓力，每隔9.4 m設(shè)1道橫向斷縫;框架頂板和兩側(cè)墻采用混凝土鉸，以減少拱肋的不均勻沉降對框架產(chǎn)生的較大內(nèi)力?？蚣茼敯蹇缰泻?0 cm，框架側(cè)墻厚60 cm。

2 動力特性分析

2.1 計算模型

抗震分析采用有限元方法，在SAP2000V14分析程序中建立空間動力分析模型。有限元計算模型均以

建模時，根據(jù)上承式勁性骨架拱橋的結(jié)構(gòu)特點建立三維有限元動力分析模型。拱肋、拱上立柱、拱座墩身、主梁均采用空間梁單元，其中主梁采用單主梁式模型，二期恒載采用梁單元分布荷載模擬。在動力分析中，利用SAP2000定義質(zhì)量源的方法將二期恒載的分布荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點質(zhì)量，承臺模擬為質(zhì)點。拱肋和拱上立柱之間采用主從約束進(jìn)行模擬，拱腳以及拱座墩底均采用固結(jié)進(jìn)行模擬。主梁與拱上立柱以及拱座墩身在橫橋向考慮擋塊的作用采用固結(jié)。

2.2 動力特性

分析和認(rèn)識橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，為此，采用前述結(jié)構(gòu)計算模型，對祁家渡大橋進(jìn)行了動力特性分析。祁家渡大橋的前10階自振特性如表1所示。

表1 動力特性

3 抗震計算

3.1 設(shè)防水準(zhǔn)

本橋采用的50年超越概率63.5%的風(fēng)險水平相當(dāng)于多遇地震，50年超越概率10%的風(fēng)險水平相當(dāng)于設(shè)計地震，50年超越概率2%的風(fēng)險水平相當(dāng)于罕遇地震。在施工圖設(shè)計階段，對主橋進(jìn)行多遇地震以及罕遇地震作用下的抗震分析。

3.2 加速度反應(yīng)譜

根據(jù)該橋的地質(zhì)資料，并通過初步的動力分析可知該橋的結(jié)構(gòu)自振周期＜2 s，確定設(shè)計加速度反應(yīng)譜(標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜)的動力放大系數(shù)如圖2所示。圖中:Tg為反應(yīng)譜特征周期;β為反應(yīng)譜放大系數(shù)，阻尼比為5%。水平設(shè)計反應(yīng)譜曲線如圖3所示。

圖2 加速度反應(yīng)譜曲線

圖3水平地震動加速度反應(yīng)譜(阻尼比5%)

3.3 加速度時程

根據(jù)阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜人工生成三條地震加速度時程?，F(xiàn)將人工加速度與設(shè)計加速度反應(yīng)譜繪制在圖中予以觀察(見圖4)，可以看到生成的人工加速度與設(shè)計加速度反應(yīng)譜的頻譜特性曲線較為吻合。

圖4 設(shè)計反應(yīng)譜與人工地震波的頻譜特性比較

3.4 截面抗震驗算

3.4.1 多遇地震作用下的驗算

1)順橋向不考慮車輛荷載引起的地震力工況。拱上立柱柱底截面及拱肋關(guān)鍵截面均未屈服，見表2和表3。

表2 拱上立柱柱底地震反應(yīng)驗算結(jié)果(驗算軸力=恒載軸力－動軸力)

表3 拱肋關(guān)鍵截面地震反應(yīng)驗算結(jié)果(驗算軸力=恒載軸力－動軸力)

2)橫橋向不考慮車輛荷載引起的地震力工況。拱上立柱柱底截面及拱肋關(guān)鍵截面均未屈服。

3.4.2 罕遇地震作用下的驗算

1)順橋向不考慮車輛荷載引起的地震力工況。拱上1#立柱柱底截面屈服，見表4。拱肋關(guān)鍵截面抗震驗算未見屈服。

表4 拱上立柱柱底地震反應(yīng)驗算結(jié)果(驗算軸力=恒載軸力－動軸力)

2)橫橋向不考慮車輛荷載引起的地震力工況。拱上5#立柱柱底截面屈服，拱肋關(guān)鍵截面抗震驗算未見屈服。

4 結(jié)論

本研究首先建立了祁家渡大橋的動力有限元模型，分析了其動力特性。然后采用反應(yīng)譜方法、線性時程分析方法對該橋的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析。并對主橋拱肋、立柱、拱肋橫撐等構(gòu)件的關(guān)鍵截面進(jìn)行了抗震驗算，主要結(jié)論如下:

1)祁家渡大橋在多遇地震作用下拱肋各截面、拱上立柱、拱肋橫撐均未進(jìn)入屈服，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，達(dá)到預(yù)計的性能目標(biāo)。

2)祁家渡大橋在順橋向罕遇地震作用下1#立柱和2#立柱柱底截面進(jìn)入屈服，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作狀態(tài)，需要合理配置塑性區(qū)域的鋼筋以保證立柱轉(zhuǎn)動的能力，設(shè)計中配筋已考慮。

3)祁家渡大橋在橫橋向罕遇地震作用下5#立柱柱底截面以及2#，3#，4#拱肋橫撐均進(jìn)入屈服狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作狀態(tài)，需要合理配置塑性區(qū)域的鋼筋，設(shè)計中已考慮。

4)罕遇地震作用下橋梁部分立柱和拱肋橫撐進(jìn)入屈服階段。

［1］陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］陳寶春.鋼管混凝土上承式拱橋橋型分析［J］.公路，2006 (2):65-67.

［3］瞿國釗，劉華全.宜萬鐵路落步溪大橋178 m混凝土拱橋設(shè)計［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005(11):123-125.

［4］蘇虹，胡世德.連續(xù)梁橋的抗震性能分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2002(2):89-91.

［5］滕炳杰，何畏.V形剛構(gòu)—拱組合橋方案抗震性能分析［J］.鐵道建筑，2012(10):7-10.

(責(zé)任審編 趙其文)

U442.5+5

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.03

2015-04-30;

:2015-07-27

王克輝(1970— )，男，高級工程師。順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。各單元局部坐標(biāo)系以單元軸向為1軸(從I節(jié)點指向J節(jié)點)，3軸保持水平且垂直于1軸，2軸按右手螺旋準(zhǔn)則確定。全橋模型采用了750個單元，779個節(jié)點，22個連接單元。

1003-1995(2015)11-0011-03