大跨连拱拱桥动力特性及地震反应分析
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陈 泉 闫兴 山 余 嵘 峰。
（．武 汉 市 政 工程 设 计 研 究 院 有 限 责 任 公 司 武 汉 １ ４０ ２ ；２ 东 省 聊 城 市 公 路 勘 测 设 计 院 聊 城 ２ ２０ ３ ０ ３ ．山 ５ ００
４０８） ３ ０ ３ ３ ．湖 北联 交 投 和 左 高速 公 路 有 限责 任 公 司 武 汉
总第 年 第 ｌ ２ １ ２ ４期 ０１ ４ 期
交ｏ Ｓ Ｔｒ ｎ ｐ ｒ ａ ｉｎ 通 ｉ ｎ ｅ＆ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｓ ｏ ｔ ｔ ｃｅ科 技 ｃ ｎ ｌｇ ｃ
Ｓ ｒａ ． ４ ｅ ｉｌＮｏ ２ ４
Ｎｏ． １ Ｆｅ ． ｂ ２Ｏｌ ｌ
大 跨 连 拱 拱 桥 动力 特性 及地 震 反 应 分 析
摘
要
结 合 一 座 大 跨 连 拱 拱 桥 工 程 设 计 实 例 ， 用 ｓｐ ０ ０程 序 建 立 了该 桥 空 间 有 限 元 计 算 模 采 ａ ２０
型 ， 析 了该 桥 的动 力 特 性特 点 ， 用 反 应 谱 法 和 时 程 分 析 法 对 该 桥 进 行 了地 震 反 应 分 析 。 结 果 分 采
大 桥 抗 震 分 析 采 用 有 限 单 元 法 ， 算 采 用 计 Ｓ ｐ ０ ０Ｎｏ ｌ ｅ ｒ程 序 。有 限元 计 算 模 型 均 以 ａ ２ ０ ｎｉ ａ ｎ
顺 桥 向为 ｘ轴 ， 桥 向为 ｙ轴 ， 向为 ｚ轴 。 横 竖
桥 梁上 部结 构 主梁 、 柱 、 圈等采用 空间梁 墩 拱 单 元模拟 ， 连接单 元模 拟橡 胶 支座 ， 为其 只有 用 认 ｘ 向平动 和绕 ｙ轴 的转 动 ， 向墩 、 横 梁水 平位移 采 用 固结 约束 。 考虑 成桥 后 的恒 载 引起 的 Ｐ△ 效 应 － 及 相邻联 的影响 ， 动力 计 算 有 限元模 型考 虑左 右
有 限元 模 型 见 图 ２ 。
某 特大 桥 主 桥 施 工 图方 案 为 ６ ０Ｉ 钢筋 ×５ Ｉ Ｔ
混凝 土上 承 式 箱 型 拱 桥 ， 拱 为 无 铰 拱 ， 矢 高 主 净
１ ． Ｔ 净 跨 径 ５ 矢 跨 比 １ ４ ２ ５Ｉ， Ｉ ０ ｍ， ／ 。拱 轴 线 为 悬
链线 ， 拱轴 系数 为 １ ７ ０ 全 长 １ ０ｒ。其 中 ， ．９ ， ８ ｎ 主拱
构的抗震薄弱部位之一 。 关 键 词 大 跨 连 拱 拱 桥 地 震 反 应 拱 圈 立 柱
随着经济 的高速发展 ， 交通线 的依 赖性越来 对
越强 ， 而一旦地 震 使交 通线 遭 到 破坏 ， 能导 致 的 可 生命财产 以及 间接经济损 失也 将会越 来越 巨大ｎ 。 ］
几 次大地震一再显示 了桥梁工程 破坏 的严 重后果 ， 也一再显示 了桥梁工程抗 震研究 的重要性 。 本 文以一 座 大跨 连 拱 拱 桥 工 程设 计 实 例 ， 采 用 有 限元 程序 ｓ ｐ ０ ０建立 该桥 空 间有 限元计 算 ａ２０
一
… ： １（ ｊ】
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③ 因拱 上每 排 立 柱０ 框 架 结 构川 刚度 较 大 ， 柱 为 ， 立 横 向振型 出现得 也较 晚 ； 以拱 圈 和基 础 为 主的 ④
地 类别 为 Ｉ 类 ， 区 不 会 发 生 软 土 振 陷 、 土 液 Ｉ 场 砂 化 等地 震地 质 灾 害 。此 外 ， 特 大 桥 主桥 河床 冲 该 刷 深度 不 大 ， 低 桩 承 台基 础 。 因此 ， 考 虑 桩一 为 在 土一 结构动 力 相互 作用 时 采用 常 用 的 ６弹簧 模型 。
２ 动 力 特 性 分 析
图 ｌ 主 桥 跨 径 布 置 图
基于 以上有 限元 计 算 模 型 ， 用 子 空间 迭代 采 法 对 该 桥 进 行 了 动 力 特 性 分 析 。 １ 出 了 表 列
收 稿 日期 ：０ ０１ —３ ２ １一０２
２１ 年第 ｌ ０１ 期
陈 泉 等 ：大跨 连拱 拱 桥动 力 特 性 及 地 震 反 应 分 析
圈为单 箱五 室 ， 圈 高 １ ３ ｅ 全 宽 ２ ． 拱 拱 ． ５ｔ， ｌ ０ ５ ｍ；
上设 变截 面连续 板 ， 径 组 成 ９ 跨 ×５ ５ ５ｍ， 幅 ． ５ 每
桥 设 ６道 伸缩 缝 ， 每一 个 交 接墩 设 一 道 。桩基 均
采用 群桩基 础 ， 图 １ 见 。
图 ２ 有 限 元 计 算 模 型
表明 ： 由于 各 拱 拱 上 立 柱 高度 相差 太大 ， 得 各个 立 柱 分担 的 上 部 结 构 的 地 震 惯 性 力 非 常 不 均 衡 ， 使
拱 顶 附 近 的 立 柱 由于 高 度 较 低 、 度 较 大 ， 得 其 承受 较 多 的 上 部 结 构 的 地 震 惯 性 力 ， 为 整 个 结 刚 使 成
模 型 ， 析该桥 的 动力 特性 特点 ， 分 采用 反应 谱法和
时程分析 法对该 桥 进 行 地 震 反 应 分 析 ， 结 大跨 总
连拱拱桥 地震 反应 的特 点 和规 律 ， 同类 桥梁 的 为 抗 震设计 提供 理论 依 据 。
１ 计 算 模 型
各 一联 引桥结 构 的耦联 效应 Ｌ 。 ２ ］ 大桥 主 桥所 在 场 地 土 类 型 为 中硬 土 ， 建筑 场
ｌ ０阶振 型频 率及相 关振 型 描述 。
表 １ 动 力 特 性 分 析 结 果
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图 ４ 水 平 向设 汁 地 震 加 速 度 时 程 （
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表 １ 见 ： 前 几 阶 振 型 均 为 拱 上 立 柱 纵 向 可 ① 振 动 ， 基 本 周 期 较 小 ， 小 于 １ ０Ｓ ② 拱 圈 振 且 均 ． ； 型 出现 得 较 晚 ， 首 先 出现 的是 纵 向 振 动 振 型 ； 且
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（．武 汉 市 政 工程 设 计 研 究 院 有 限 责 任 公 司 武 汉 １ ４０ ２ ；２ 东 省 聊 城 市 公 路 勘 测 设 计 院 聊 城 ２ ２０ ３ ０ ３ ．山 ５ ００
４０８） ３ ０ ３ ３ ．湖 北联 交 投 和 左 高速 公 路 有 限责 任 公 司 武 汉
总第 年 第 ｌ ２ １ ２ ４期 ０１ ４ 期
交ｏ Ｓ Ｔｒ ｎ ｐ ｒ ａ ｉｎ 通 ｉ ｎ ｅ＆ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｓ ｏ ｔ ｔ ｃｅ科 技 ｃ ｎ ｌｇ ｃ
Ｓ ｒａ ． ４ ｅ ｉｌＮｏ ２ ４
Ｎｏ． １ Ｆｅ ． ｂ ２Ｏｌ ｌ
大 跨 连 拱 拱 桥 动力 特性 及地 震 反 应 分 析
摘
要
结 合 一 座 大 跨 连 拱 拱 桥 工 程 设 计 实 例 ， 用 ｓｐ ０ ０程 序 建 立 了该 桥 空 间 有 限 元 计 算 模 采 ａ ２０
型 ， 析 了该 桥 的动 力 特 性特 点 ， 用 反 应 谱 法 和 时 程 分 析 法 对 该 桥 进 行 了地 震 反 应 分 析 。 结 果 分 采
大 桥 抗 震 分 析 采 用 有 限 单 元 法 ， 算 采 用 计 Ｓ ｐ ０ ０Ｎｏ ｌ ｅ ｒ程 序 。有 限元 计 算 模 型 均 以 ａ ２ ０ ｎｉ ａ ｎ
顺 桥 向为 ｘ轴 ， 桥 向为 ｙ轴 ， 向为 ｚ轴 。 横 竖
桥 梁上 部结 构 主梁 、 柱 、 圈等采用 空间梁 墩 拱 单 元模拟 ， 连接单 元模 拟橡 胶 支座 ， 为其 只有 用 认 ｘ 向平动 和绕 ｙ轴 的转 动 ， 向墩 、 横 梁水 平位移 采 用 固结 约束 。 考虑 成桥 后 的恒 载 引起 的 Ｐ△ 效 应 － 及 相邻联 的影响 ， 动力 计 算 有 限元模 型考 虑左 右
有 限元 模 型 见 图 ２ 。
某 特大 桥 主 桥 施 工 图方 案 为 ６ ０Ｉ 钢筋 ×５ Ｉ Ｔ
混凝 土上 承 式 箱 型 拱 桥 ， 拱 为 无 铰 拱 ， 矢 高 主 净
１ ． Ｔ 净 跨 径 ５ 矢 跨 比 １ ４ ２ ５Ｉ， Ｉ ０ ｍ， ／ 。拱 轴 线 为 悬
链线 ， 拱轴 系数 为 １ ７ ０ 全 长 １ ０ｒ。其 中 ， ．９ ， ８ ｎ 主拱
构的抗震薄弱部位之一 。 关 键 词 大 跨 连 拱 拱 桥 地 震 反 应 拱 圈 立 柱
随着经济 的高速发展 ， 交通线 的依 赖性越来 对
越强 ， 而一旦地 震 使交 通线 遭 到 破坏 ， 能导 致 的 可 生命财产 以及 间接经济损 失也 将会越 来越 巨大ｎ 。 ］
几 次大地震一再显示 了桥梁工程 破坏 的严 重后果 ， 也一再显示 了桥梁工程抗 震研究 的重要性 。 本 文以一 座 大跨 连 拱 拱 桥 工 程设 计 实 例 ， 采 用 有 限元 程序 ｓ ｐ ０ ０建立 该桥 空 间有 限元计 算 ａ２０
一
… ： １（ ｊ】
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③ 因拱 上每 排 立 柱０ 框 架 结 构川 刚度 较 大 ， 柱 为 ， 立 横 向振型 出现得 也较 晚 ； 以拱 圈 和基 础 为 主的 ④
地 类别 为 Ｉ 类 ， 区 不 会 发 生 软 土 振 陷 、 土 液 Ｉ 场 砂 化 等地 震地 质 灾 害 。此 外 ， 特 大 桥 主桥 河床 冲 该 刷 深度 不 大 ， 低 桩 承 台基 础 。 因此 ， 考 虑 桩一 为 在 土一 结构动 力 相互 作用 时 采用 常 用 的 ６弹簧 模型 。
２ 动 力 特 性 分 析
图 ｌ 主 桥 跨 径 布 置 图
基于 以上有 限元 计 算 模 型 ， 用 子 空间 迭代 采 法 对 该 桥 进 行 了 动 力 特 性 分 析 。 １ 出 了 表 列
收 稿 日期 ：０ ０１ —３ ２ １一０２
２１ 年第 ｌ ０１ 期
陈 泉 等 ：大跨 连拱 拱 桥动 力 特 性 及 地 震 反 应 分 析
圈为单 箱五 室 ， 圈 高 １ ３ ｅ 全 宽 ２ ． 拱 拱 ． ５ｔ， ｌ ０ ５ ｍ；
上设 变截 面连续 板 ， 径 组 成 ９ 跨 ×５ ５ ５ｍ， 幅 ． ５ 每
桥 设 ６道 伸缩 缝 ， 每一 个 交 接墩 设 一 道 。桩基 均
采用 群桩基 础 ， 图 １ 见 。
图 ２ 有 限 元 计 算 模 型
表明 ： 由于 各 拱 拱 上 立 柱 高度 相差 太大 ， 得 各个 立 柱 分担 的 上 部 结 构 的 地 震 惯 性 力 非 常 不 均 衡 ， 使
拱 顶 附 近 的 立 柱 由于 高 度 较 低 、 度 较 大 ， 得 其 承受 较 多 的 上 部 结 构 的 地 震 惯 性 力 ， 为 整 个 结 刚 使 成
模 型 ， 析该桥 的 动力 特性 特点 ， 分 采用 反应 谱法和
时程分析 法对该 桥 进 行 地 震 反 应 分 析 ， 结 大跨 总
连拱拱桥 地震 反应 的特 点 和规 律 ， 同类 桥梁 的 为 抗 震设计 提供 理论 依 据 。
１ 计 算 模 型
各 一联 引桥结 构 的耦联 效应 Ｌ 。 ２ ］ 大桥 主 桥所 在 场 地 土 类 型 为 中硬 土 ， 建筑 场
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表 １ 动 力 特 性 分 析 结 果
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图 ４ 水 平 向设 汁 地 震 加 速 度 时 程 （
２ ） 【 ２１ （） （ Ｉ １ （ １（ ０Ｉ
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表 １ 见 ： 前 几 阶 振 型 均 为 拱 上 立 柱 纵 向 可 ① 振 动 ， 基 本 周 期 较 小 ， 小 于 １ ０Ｓ ② 拱 圈 振 且 均 ． ； 型 出现 得 较 晚 ， 首 先 出现 的是 纵 向 振 动 振 型 ； 且
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