钢-混凝土组合拱桥地震响应效应分析

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发布时间：2021-09-12

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钢一混凝土组合拱桥地震响应效应分析
何小宇吴庆雄
(1．四川广巴高速公路有限责任公司四川广元 628000：
2．福州大学土木工程学院福建福州I 350108)
【摘要】利用基于梁单元的双重非线性有限元程序NL_Beam3D，进行了钢腹板一混凝土组合拱桥和
钢筋混凝土拱桥的非线性地震响应特性研究，结果表明，与钢筋混凝土拱桥相似，新型组合拱桥在横桥向地
震动作用下，拱圈轴力和面外弯矩起主导作用，拱圈拱脚截面进入塑性，塑性区域大致相同；在纵桥向地震
动作用下，拱圈轴力和面内弯矩起主导作用，拱圈未进入塑性；横桥向地震动作用下拱圈的地震响应大于纵
向地震响应。与钢筋混凝土拱桥不同的是，新型组合拱桥可不考虑纵、横向地震力共同作用的影响，且其地
震响应较小，具有较好的抗震性能。
【关键词】拱桥；钢一混组合结构；波形钢腹板；平钢腹板；非线性地震响应
【中图分类号】U422．5 5 【文献标识码】A
IJ 日IJ 舌
钢一混凝土组合拱是指用钢腹板(波形钢板或平
钢板)取代钢筋混凝土拱圈的混凝土腹板，通过连接
件与顶底混凝土板形成一种新型的组合拱结构，根据
钢腹板结构的不同可分为波形钢一混凝土组合拱和平
钢一混凝土组合拱。采用这种新型结构的拱桥具有
自重轻，施工方便的优点，可为大跨径混凝土拱桥的
应用与发展提供一种可能。文献团。以主跨160m主
拱为原型，进行钢一混凝土拱桥的试设计，结果表
明，与原桥相比，试设计拱桥可减轻拱圈自重约
30％，也降低了拱圈内力。文献对三向地震动作用
下的波形钢腹板混凝土箱拱桥进行弹性地震响应分
析，通过与钢筋混凝土箱拱动力特性和地震响应特点
的对比，得出该新型拱圈结构具有较优越的抗震性
能。然而，由于大跨度拱桥抗震分析中材料非线性与
几何非线性的影响较大，故本文在文献和试
设计研究的基础上，对两座钢腹板一混凝土组合拱桥
和混凝土拱桥的非线性地震响应特『生进行研究。
1 有限元计算模型及计算方法
达县州河大桥主跨为净跨160m的悬链线钢筋混
凝土箱型拱，净矢跨比为1／4，拱轴系数为2．114。
为便于叙述，本文将钢筋混凝土拱桥简称为RC拱
桥，波形钢一混凝土组合拱桥简称为RC—CSW拱
桥，平钢一混凝土组合拱桥简称为RC—PSW拱桥。
采用基于梁单元的双重非线性有限元程序
NL Beam3D 建立了RC拱桥、RC—CSW拱桥和
RC—PSW拱桥的空间杆系有限元计算模型。由于三
座拱桥的有限元计算模型外形相同，故只给出一个
有限元模型示意(见图1)。模型中采用同时考虑
轴力和两方向弯矩非线性的纤维单元来模拟拱桥的
拱圈、立柱和桥道系。钢材的本构关系采用双折线
计算模型，屈服后的刚度为Es／100；混凝土采用不
考虑抗拉的二次抛物线模型，不考虑压应力下降。
采用P一8效应和动坐标法考虑几何非线性的影响。
自由振动计算时采用子空间迭代法求解特征值，
采用时程分析法进行非线性地震响应分析。采用
Rayleigh阻尼，其两个阻尼系数均设为0．02，两个频
率根据地震作用方向的不同而设为不同值。输入地震
动为板块边界型地震动(Type I)如图2所示。