斜拱面非对称钢箱系杆拱桥的抗震分析
*秦 权，白 刚，王建秀
(清华大学土木工程系，北京 100084)
摘 要：天津大沽桥主跨103 米，采用全钢斜拱斜系杆面无顶部水平支撑的结构形式，结构复杂，振型多是空间的，自振频率密集。我国新版桥梁抗震设计规范正在编制，目前我国缺少对这种桥抗震设计的明确规定。参考国内外相关规范，采用两阶段抗震设计，确定了表达两阶段水平和竖向地震作用的反应谱，选择和产生合格的三分量地震地面加速度时程历史；计算了拱圈的几何刚度和斜吊杆的割线刚度对地震反应的影响；用有效振型参与质量分别确定了对顺桥向和横桥向地震作用的振型组合所必须的振型数，和非弹性时程积分的合理步长，表明用前57 阶振型进行振型组合，以及0.02 秒的积分步长能给出可靠的结果。对大沽桥弹性反应分析，反应谱振型叠加法必须使用CQC 组合，还应考虑对三向地震作用的反应的组合。利用作者开发的程序BER2002 进行三分量地面运动同时输入下的非弹性时程积分。分别考虑水平主波沿顺桥向和横桥向的反应，取大者。分析表明，大沽桥的设计方案有良好的抗震性能。
关键词：有效振型参与质量；侧移灵敏系数；轴压比；CQC 振型组合；拱圈几何刚度
中图分类号：TU311.3 文献标识码：A
ASEISMIC BEHAVIOR OF COMPLEX TIED ARCH BRIDGES
1 概述
本文针对的天津大沽桥的设计方案是三跨全钢结构系杆拱桥，结构体系采用钢箱梁和下承式钢箱拱，见图1。与一般拱桥不同的是，大沽桥的两个钢拱圈相互独立，两个拱圈一高一低，并以不同角度倾斜。每个拱圈上有两个吊杆面与桥面系连接，因此其动力特性复杂。由于目前城市桥梁抗震设计规范尚在编制之中，不能作为设计依据，可作为大沽桥抗震设计依据的规范是《公路工程抗震设计规范》[1]，和《建筑抗震设计规范GB50011-2001》[2]但前者规定过于简单，后者只对地震输入可作参考。大沽桥抗震验算还参考了文献[3~6]。因此本文在抗震分析方面还不得不参照日本、欧洲和美国的新版有关规范[7~9]的规定。
本文采用有限元模型，用作者开发的程序BER2002 结合通用程序SAP2000 和ANSYS 对大沽桥进行弹性静力分析、弹性反应谱振型分析，和非弹性动力时程分析，检查大沽桥方案的抗震性能。
由于本文还采用了国外新版桥梁抗震规范的新技术，因此也是我国复杂结构桥梁的抗震设计的一个尝试。
2 大沽桥的有限元模型
大沽桥结构方案为三跨全钢结构系杆拱桥。主跨103m，两个边跨18m。两个倾斜的主拱圈相互独立，大小和倾角都不等，截面为壁厚3cm 的钢箱。
大拱拱平面倾斜度1：3，拱顶高39m，横截面为变截面。小拱拱平面倾斜度1：2，拱顶高16m，横截面为等截面方形箱。桥面结构为24m 宽正交钢板桥面箱形三跨连续梁，截面高度为1.3m，用平行钢丝吊杆吊在拱圈上。每个拱圈有两个倾角不同的吊杆面，一个吊杆面由拱圈连至箱梁侧边，另一个吊杆面由拱圈连至人行道外侧。拱脚下有钢筋混凝土排架墩，墩柱为方形截面边长2.5m，长4.8m。每个墩柱下有4 根1.5m 直径的混凝土桩，长50m。拱圈和箱梁材料均为16Mn 钢。吊杆截面积为0.0008m2，线比重为100kN/m，容许应力为665MPa。
本文使用空间杆系模型，拱圈用等截面直梁柱单元模拟，考虑负几何刚度；吊杆为空间桁架杆单元，考虑割线模量；箱梁用三根梁加横向刚杆组成的格子梁模拟，拱脚与主跨端部的横梁铰接，箱梁和人行道板共同作为系杆。人行道板下的横梁用梁单元模拟。箱梁与1 号墩为固定铰接，与2 号墩为沿顺桥向可滑动的铰接。两个桥墩和两个桥台都约束箱梁的横桥向位移。
3 地震地面运动输入
4 弹性抗震分析
5 非弹性时程分析
