基于Opensees的钢管混凝土拱桥地震响应分析_罗辑

基于O pen sees 的钢管混凝土拱桥地震响应分析

罗

辑

(中国建筑西南设计研究院,四川成都610081)

【摘　要】　以重庆巫山长江大桥为例,应用伯克利加州大学开发的有限元分析软件Opensees (Open Sys 2te m f or Earthquake Engineering Si m ulati on )对该桥进行了地震响应分析,总结得出钢管混凝土中承式拱桥在地震作用下内力反应规律。 【关键词】　Opensees;　地震响应分析;　钢管混凝土;中承式拱桥 【中图分类号】　T U31114 【文献标识码】　A

1　概　述

巫峡长江大桥位于重庆市巫山县,总长612m,为钢管

混凝土中承式悬链线拱桥。净跨径为460m,净矢跨比为1/318,拱轴系数为1155。桥梁结构主要由钢管混凝土拱肋、吊杆、横撑以及桥面系组成。桥面净宽18m 。钢管混凝土拱肋采用四肢桁式截面,拱顶截面径向高7m,拱脚截面径向高14m 。弦杆为Φ1220×22(靠近拱脚两段为Φ1220×25)的钢管,钢材为Q345-C,内灌C60混凝土。拱肋腹杆为Φ610×12,中空。吊杆与拱肋连接处上、下横联为钢管混凝土,尺寸为Φ711×16;立柱处上弦横联为钢管混凝土,尺寸为Φ1220×22;其余横联均为空钢管横联,尺寸为Φ711×16。横撑钢管材质均采用Q235-C,桥面系以下采用X 型横撑,桥面系以上采用K 型横撑。拱上立柱为Φ920×12的双柱钢管混凝土排架,拱上吊杆采用平行钢丝冷铸锚,桥面系采用预应力钢筋混凝土横梁和Ⅱ形桥面板。图1为大桥总体布置图

。

图1　巫峡长江大桥总体布置图

2　动力计算模型

为了进行结构地震响应分析,本次分析的理论计算采用

有限元分析软件Opensees 建立空间有限元分析模型。材料模型:混凝土的本构关系选用Susantha 本构模型,钢材的本构关系采用Opensees 中的Steel01。单元模型:将拱肋、横联、横撑以及腹杆全部模拟为空间非线性梁单元。截面模型:采用纤维模型。

3　空间地震响应分析

311　输入地震波

本次分析的目的是研究钢管混凝土拱桥在地震作用下地震反应的普遍特性,并非对该桥进行抗震设计,因此选取结构地震反应分析中常用的Elcentr o 地震波对该拱桥进行抗震性能分析。图2为Elcentr o 波的波形曲线

。

图2　Elcentr o 波形曲线

312　计算工况

本文共计算了8个工况下拱桥的地震反应,工况见表1。

表1　工况表(E1代表Elcentr o 波)

工

况

地震波类型地震波峰值(×g )横向纵向竖向备 注

1横向E10112横向E10123横向E1014

4纵向E10115纵向E1012

6竖向E10117竖向E1012

8横向E1

012

此工况去掉部分横撑

表2　横向地震作用下巫峡长江大桥地震内力反应

(轴力:kN,弯矩:×103kN ?m )

部　位工况1工况2工况3工况8轴力弯矩轴力弯矩轴力弯矩轴力弯矩拱肋上弦

左拱脚6712101529030131851296819189785610111左1/4点467571636392917491801314254337131拱顶3830812559641010587101417651297148右1/4点448071346212916690921219752987125右拱脚663210126896613124120681913077929196拱

肋下弦

左拱脚6980111069392141721385821125801211120左1/4点4743719465801012193201416856838106拱顶4025817561751113591261519252068124右1/4点461571706396919892751410355937199右拱脚

6792101879181141151299820152792410193

注:表中弯矩值取双向弯矩最大值

[收稿日期]2006-03-22

2

21　?工程结构?　

表3　纵向竖向地震作用下巫峡长江大桥地震内力反应(轴力:kN,弯矩:×103kN?m)

部　位

工况4工况5工况6工况7轴力弯矩轴力弯矩轴力弯矩轴力弯矩

拱肋上弦

左拱脚352613168528419115292510115419514174左1/4点182341332732618516378134258010185拱顶621380108871301121266719219669192右1/4点163541152590614715808116247210112右拱脚32231218850641716428639185399613196

拱肋下弦

左拱脚374214175541621106310811163431215133左1/4点198141822970711117529114267511136拱顶64115010989164011413388162210610127右1/4点172441662718619816809103258210198右拱脚358613184529719123300210192418814176注:表中弯矩值取双向弯矩最大值

313　计算结果

计算中时间步长取0102s,共计算600时步,计算总时间1210s。表2列出了拱桥在横向地震作用下的内力反应,表3列出了拱桥在纵向、竖向地震作用下的内力反应。

4　结　论

分析表2,可以看出:在横向地震作用下,轴力最大值发生在拱脚处,而拱顶处的轴力最小;弯矩最大值同样发生在拱脚处,而1/4点附近的弯矩最小。比较工况2和工况8,发现去掉部分横撑后,横向刚度降低,在横向地震荷载作用下,内力响应也相应降低,各点轴力降幅为15%左右,拱脚弯矩降幅达到27%,而拱顶处弯矩降幅也达到了2516%。通过将表2中数据与表3中数据进行比较,可以看出:在纵向、竖向地震荷载作用下,巫峡长江大桥的内力反应远小于横向地震作用下的内力。纵向、竖向地震作用下,轴力、弯矩最大值发生于拱脚部位。

参考文献

[1]　蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].人民交通出版社.

[2]　韩林海.钢管混凝土结构[M].科学出版社.

(上接第121页)　应力,可以通过加厚顶底板,加密横隔板或者采用布置横向预应力钢筋来抵抗,以免造成纵向开裂;对垂直平面处具有一定的曲率的变高度预应力混凝土连续箱梁的底板,可以通过布置横向预应力钢筋,或加厚底板截面尺寸,来抵抗纵向预应力钢筋的曲率引起的向下径向荷载,避免顶底板纵向开裂;对大跨度预应力混凝土连续箱梁桥,压应力储备对不要大于2MPa,避免因压应力储备过大造成顶底板纵向开裂。

(4)对横隔板人洞的应力集中,宜进行局部的有限元分析,在此基础上在发生裂缝的部位布置防裂构造钢筋。

(5)对齿板的锚头局压区,宜进行端部锚固区段内的局部应力分析,除了配置间接钢筋外,另应根据局部应力分析配置闭合式箍筋。

(6)对底板保护层混凝土劈裂裂缝,设计时应参考规范要求,保证混凝土保护层的厚度;变高度预应力混凝土连续箱梁的底板,在垂直平面处具有一定的曲率,如果底板的混凝土保护层过薄,应根据径向分布荷载设置平衡箍筋,将这部分力通过平衡箍筋传递于上层钢筋,使全底板共同参与受力,防止底板保护层混凝土劈裂。

4　结　论

在大跨度预应力混凝土连续箱形梁桥中,弯曲裂缝、腹板斜裂缝、横隔板裂缝、顶底板纵向裂缝、底板齿板裂缝及底板混凝土保护层劈裂裂缝都是极为常见的。本文从受力上分析了产生裂缝的原因,提出了相应的预防措施,为预应力混凝土连续箱梁桥的设计提供了一定的理论基础。

参考文献

[1]　王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版

社,1999.

[2]　吕志涛.混凝土结构的裂缝及其防治[D].南京:东南大学,

2002.

[3]　范立础,徐光辉.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4]　JTG　D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计

规范[S].

补　正

本刊2005年第6期刊登刘颖《铁路、公路现浇箱梁梁式支架设计》一文,因该期稿件过挤,将该文结束语及参考文献删去。现据作者要求,在此补正,并向作者致歉。

4　结　语

结合鸡西东山立交桥预应力混凝土连续箱梁施工的具体情况,通过对六四式军用梁、型钢、碗扣式支架的有效组合,得出了一套行之有效的跨铁路、公路、河流的现浇箱梁支架方案,取得了较好的社会效益和经济效益,该方案可为同类桥梁施工提供参考。

参考文献

[1]　范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版

社,1999.

[2]　JTJ041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交

通出版社,2000.

[3]　刘吉士,阎洪河,李文琪.公路桥涵施工技术规范实施手册

[M].北京:人民交通出版社,2002.

321

　?工程结构?