新建铁路兰州至合作线祁家渡黄河大桥主桥抗震计算分析

王克辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

新建铁路兰州至合作线祁家渡黄河大桥主桥抗震计算分析

王克辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

新建铁路兰州至合作线祁家渡黄河大桥，主桥跨度为180 m劲性骨架混凝土拱桥。通过建立动力有限元模型，分析主桥的动力特性;然后采用反应谱方法、线性时程分析方法对该桥的地震反应进行了分析;并对主桥拱肋、立柱、拱肋横撑等构件的关键截面进行了抗震验算，计算结果均满足设计规范的要求。关键词:劲性骨架 钢筋混凝土拱桥 动力特性 地震反应分析 抗震验算

1 工程概况

桥位处由洮河引起的淤积严重。根据资料推测本线跨越黄河处淤积层厚度约为70 m，淤积层厚度直接影响到本线桥式的选择。同时，桥址区北岸岸坡岩石易产生顺层滑动、崩塌及落石等。为减少大桥施工时对两岸地层的扰动，设计时采用跨径为180 m的上承式钢筋混凝土提篮拱跨越河谷(见图1)。拱肋中心距由于稳定性要求，需要大于跨度的1/20。为缓解较窄的桥面箱梁与较宽拱肋之间的矛盾，考虑桥梁的整体美观，将两分离式拱肋设置呈变间距。拱顶处两拱肋中心距采用5.2 m;拱脚处拱肋中心距加宽至12.5 m。因此拱肋呈倾斜布置，拱顶内倾3.65 m，其倾角为5.56°。拱肋采用单箱单室截面，拱肋截面宽取2.5 m，拱顶截面高取3.5 m，拱脚截面高取6.0 m，拱顶到拱脚范围内拱肋高度按立特公式变化。拱肋上每隔14.5 m左右设一立柱，拱上立柱采用双斜柱，实心截面，1#—4#立柱、7#—10#立柱尺寸为160 cm(纵向)×200 cm(横向)，立柱横撑尺寸为130 cm×100 cm。托盘高1.1 m，宽1.8 m;顶帽高0.5 m，宽2.0 m。

图1 主跨立面(单位:m)

考虑到连续梁能增强桥面纵、横向的刚度，行车条件好，拱顶框架两端均设计为桥面纵梁。桥面纵梁采用等高度钢筋混凝土连续梁，单箱单室截面，箱梁高1.8 m，顶板宽 9.1 m，底板宽 4.9 m，跨中腹板厚40 cm，顶板厚27 cm，底板厚30 cm。

拱顶采用框架式结构，为避免其与拱圈共同受力而使顶板产生较大的顺桥向压力，每隔9.4 m设1道横向断缝;框架顶板和两侧墙采用混凝土铰，以减少拱肋的不均匀沉降对框架产生的较大内力。框架顶板跨中厚40 cm，框架侧墙厚60 cm。

2 动力特性分析

2.1 计算模型

抗震分析采用有限元方法，在SAP2000V14分析程序中建立空间动力分析模型。有限元计算模型均以

建模时，根据上承式劲性骨架拱桥的结构特点建立三维有限元动力分析模型。拱肋、拱上立柱、拱座墩身、主梁均采用空间梁单元，其中主梁采用单主梁式模型，二期恒载采用梁单元分布荷载模拟。在动力分析中，利用SAP2000定义质量源的方法将二期恒载的分布荷载转化为节点质量，承台模拟为质点。拱肋和拱上立柱之间采用主从约束进行模拟，拱脚以及拱座墩底均采用固结进行模拟。主梁与拱上立柱以及拱座墩身在横桥向考虑挡块的作用采用固结。

2.2 动力特性

分析和认识桥梁结构的动力特性是进行桥梁结构抗震性能分析的基础和重要环节，为此，采用前述结构计算模型，对祁家渡大桥进行了动力特性分析。祁家渡大桥的前10阶自振特性如表1所示。

表1 动力特性

3 抗震计算

3.1 设防水准

本桥采用的50年超越概率63.5%的风险水平相当于多遇地震，50年超越概率10%的风险水平相当于设计地震，50年超越概率2%的风险水平相当于罕遇地震。在施工图设计阶段，对主桥进行多遇地震以及罕遇地震作用下的抗震分析。

3.2 加速度反应谱

根据该桥的地质资料，并通过初步的动力分析可知该桥的结构自振周期＜2 s，确定设计加速度反应谱(标准反应谱)的动力放大系数如图2所示。图中:Tg为反应谱特征周期;β为反应谱放大系数，阻尼比为5%。水平设计反应谱曲线如图3所示。

图2 加速度反应谱曲线

图3水平地震动加速度反应谱(阻尼比5%)

3.3 加速度时程

根据阻尼比为5%的加速度反应谱人工生成三条地震加速度时程。现将人工加速度与设计加速度反应谱绘制在图中予以观察(见图4)，可以看到生成的人工加速度与设计加速度反应谱的频谱特性曲线较为吻合。

图4 设计反应谱与人工地震波的频谱特性比较

3.4 截面抗震验算

3.4.1 多遇地震作用下的验算

1)顺桥向不考虑车辆荷载引起的地震力工况。拱上立柱柱底截面及拱肋关键截面均未屈服，见表2和表3。

表2 拱上立柱柱底地震反应验算结果(验算轴力=恒载轴力－动轴力)

表3 拱肋关键截面地震反应验算结果(验算轴力=恒载轴力－动轴力)

2)横桥向不考虑车辆荷载引起的地震力工况。拱上立柱柱底截面及拱肋关键截面均未屈服。

3.4.2 罕遇地震作用下的验算

1)顺桥向不考虑车辆荷载引起的地震力工况。拱上1#立柱柱底截面屈服，见表4。拱肋关键截面抗震验算未见屈服。

表4 拱上立柱柱底地震反应验算结果(验算轴力=恒载轴力－动轴力)

2)横桥向不考虑车辆荷载引起的地震力工况。拱上5#立柱柱底截面屈服，拱肋关键截面抗震验算未见屈服。

4 结论

本研究首先建立了祁家渡大桥的动力有限元模型，分析了其动力特性。然后采用反应谱方法、线性时程分析方法对该桥的地震反应进行了分析。并对主桥拱肋、立柱、拱肋横撑等构件的关键截面进行了抗震验算，主要结论如下:

1)祁家渡大桥在多遇地震作用下拱肋各截面、拱上立柱、拱肋横撑均未进入屈服，结构处于弹性工作状态，达到预计的性能目标。

2)祁家渡大桥在顺桥向罕遇地震作用下1#立柱和2#立柱柱底截面进入屈服，结构处于弹塑性工作状态，需要合理配置塑性区域的钢筋以保证立柱转动的能力，设计中配筋已考虑。

3)祁家渡大桥在横桥向罕遇地震作用下5#立柱柱底截面以及2#，3#，4#拱肋横撑均进入屈服状态，结构处于弹塑性工作状态，需要合理配置塑性区域的钢筋，设计中已考虑。

4)罕遇地震作用下桥梁部分立柱和拱肋横撑进入屈服阶段。

［1］陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工［M］.北京:人民交通出版社，2000.

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(责任审编 赵其文)

U442.5+5

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

2015-04-30;

:2015-07-27

王克辉(1970— )，男，高级工程师。顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。各单元局部坐标系以单元轴向为1轴(从I节点指向J节点)，3轴保持水平且垂直于1轴，2轴按右手螺旋准则确定。全桥模型采用了750个单元，779个节点，22个连接单元。

1003-1995(2015)11-0011-03