朝天门长江大桥结构抗震和静力稳定性初步分析报告(550m钢桁架拱桥).doc

1、.重庆朝天门长江大桥结构抗震和静力稳定性初步分析目 录1 采用的规范及参考依据2 抗震设防标准的确定3 结构动力特性分析3.1 计算图式3.2 边界条件3.3 动力特性分析4 结构的地震响应5 结构的静力稳定性分析6 结论重庆朝天门大桥工程位于重庆市区，初步设计钢桁拱桥的跨度布置为：190+552+190932米。其主墩（N2、N3）均为矩形独柱墩，边墩（N1、N4）均采用矩形截面框架墩，靠近江北岸的N1墩高达78米（自承台以上），而靠近江南岸的N4墩只有36米（自承台以上）。上下层桥面均为正交各向异性板，桁高为11.83米，上层桥面宽36.5米，下层桥面宽29米，上层桥面重16.8t/m，下

2、层桥面重13.7t/m，主桁重27t/m。大桥所在地区地震动峰值加速度为0.12g，为确保该桥在成桥运营状态的抗震安全和结构具有足够的静力稳定性，必须对该桥的抗震安全性和结构静力稳定性进行全面的分析。1采用的规范及参考依据11 中华人民共和国交通部部标准公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）12 中华人民共和国交通部部标准公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）13 重庆市地震局重庆市王家沱长江大桥工程场地地震安全性评价报告（2003年12月）2抗震设防标准的确定对于连续钢桁拱桥的抗震设防，首先是要确定一个安全经济合理的抗震设防标准，根据该桥桥址区的地震地质构造环境，近场区的地震活动性和

3、近场区地震地质稳定性评价，结合本桥是特大型桥梁，为重要的生命线工程，按中华人民共和国防震减灾法第十七条规定，本工程必须进行地震安全性评价。该项工作已由重庆市地震局完成 （见参考依据1.3）。连续钢桁拱桥的地震响应一般采用反应谱法和时程分析法相互校核，但由于目前未得到本桥场地的地震加速度时程，因而时程分析法无法进行。桥梁结构地震响应采用反应谱理论进行，反应谱拟采用安评报告P115中的形式。对于本桥，上式中的各参数见安评报告P117的表6-4（见下表）。工程场地水平向设计地震动峰值加速度及反应谱参数场址超越概率值T1（sec）T2（sec）PAG（gal）（水平向）王家沱大桥（朝天门大桥）50年1

4、0%0.100.300.92.2584.80.19100年10%0.100.300.92.25118.10.27100年5%0.100.300.92.25121.80.28100年2%0.100.300.92.25124.20.29由于本桥为特大桥，为生命线工程，因此，大桥的设计基准期应取为100年，按照抗震设防原则“小震不坏，中震可修，大震不倒”，小震应取100年超越概率63%的概率水平下的地震动参数，中、大震则分别取100年超越概率10%和100年超越概率2%3%的概率水平下的地震动参数，根据参考依据1.3，本桥抗震计算取：（1）中震（100Y10%的概率水平）下的地震动参数（PGA=11

5、8.1gal，Kh =0.12）检算结构物的的强度；（2）大震（100Y2%的概率水平）下的地震动参数（PGA=124.2gal，Kh =0.127）检算结构物的变形。3结构动力特性分析3.1 计算图式钢桁拱桥模型严格按结构设计图纸对上下弦杆、腹杆、拱肋、拱肋上下平联、纵横梁、拱肋横联、桥门架等构件进行模拟，所有构件均采用空间梁单元，对于上下层桥面板，将其刚度与质量等效分配到纵横梁上，上下层桥面每节间由两道直腹杆相连接形成框架，在下桥面处，由系杆平衡钢桁拱的水平推力。成桥状态计算图式见图1（a）、图1（b）。图1（a） 主桥结构计算图式的立面图图1 (b) 主桥结构计算模型的空间图式（45斜平

6、面）3.2 边界条件本桥成桥状态结构各部位边界条件如下（见表1）表1 主桥推荐方案成桥状态结构各部位边界条件结构部位xyzxyzN1、N4边墩在承台顶处111111与桁梁交接处011101N2主墩在承台顶处111111与桁梁交接处011101N3主墩在承台顶处111111与桁梁交接处111101表2 主桥比较方案成桥状态结构各部位边界条件结构部位xyzxyzN1、N4边墩在承台顶处111111与桁梁交接处011101N2主墩在承台顶处111111与桁梁交接处111111N3主墩在承台顶处111111与桁梁交接处111111说明：表中，x、y、z分别表示沿纵桥向、横桥向、竖桥向的线位移，x、y、

7、z分别表示绕纵桥向、横桥向、竖桥向的转角位移。1-约束，0-放松。3.3 结构动力特性分析主桥推荐方案成桥状态的振型主要特点见表3，其相应的振型图见图2；比较方案成桥状态的振型主要特点见表4，其相应的振型图见图3。从振型图来看：本桥尽管跨度很大，但由于在结构体系中采取了合理的布置，且主桁的竖向刚度和扭转刚度均较大，使主梁具有较高的竖弯自振频率、扭转自振频率和扭弯频率比，同时，对结构控制截面地震响应贡献最大的振型的周期都比较长，为大桥的抗震安全性提供了良好的结构动力学基础。本桥结构动力特性有如下的特点： 虽然本桥主跨很大，但中跨采用系杆拱与桁梁联合体系桥，增加了钢桁梁的竖向刚度，直接导致结构的竖

8、弯基频的增加，同时，由于吊杆的作用，拱桁的竖弯振型是相互伴随而出现的。同时，经过计算分析比较，本桥结构当主跨不变，边跨由140m增加到190m时，拱桁的横弯基频几乎不变，扭转基频下降3%左右，而竖弯基频下降23%。 由于中跨很大，且中跨的上下层桥面的单位长度的重量近30t/m，而连续钢桁梁和钢桁拱的宽度为29m，宽跨比为，故结构的横弯基频较小，仅为0.1978HZ，在第一阶首先出现，这就决定了本桥成桥状态结构的失稳模态将是主跨梁和拱的面外失稳，且稳定安全系数与边跨的大小影响不显著。 主跨采用钢桁梁，这对增大主梁的颤振临界风速，减小涡激振的振幅，减小抖振响应以及提高结构的静力稳定性均有程度不同的

9、提高。表3 主桥推荐方案成桥状态动力特性NO振型特性自振频率(HZ)自振圆频率(rad/s)自振周期(s)1梁、拱横弯0.19781.24285.05562全桥纵向振动+梁拱竖弯0.27561.73163.62843梁拱横弯0.36782.31102.71894梁拱横弯0.37762.37252.64835梁拱竖弯0.39522.48312.53046梁拱横弯0.40752.56042.45407梁拱横弯0.47312.97262.113711梁拱扭转0.66634.18651.5008扭弯频率比表4 主桥比较方案成桥状态动力特性NO振型特性自振频率(HZ)自振圆频率(rad/s)自振周期(s

10、)1梁、拱横弯0.20741.30314.82162全桥纵向振动+梁拱竖弯0.30551.91953.26263梁拱横弯0.36792.31152.71814梁拱横弯0.38022.38892.63025梁拱横弯0.42272.65592.36576梁拱横弯0.47763.00082.09387梁拱竖弯0.54323.41301.840911梁拱扭转0.66934.20531.4941扭弯频率比图2 推荐方案成桥状态振型图图3 比较方案成桥状态振型图4结构的抗震分析41 结构的地震响应 对大跨度连续钢桁拱桥的抗震分析，首先应从连续钢桁拱桥抗震结构体系入手，从抗震设计的角度来看，连续钢桁拱桥的墩

11、梁交接处的纵向约束条件可分成四类六种(表5)类型结构体系示意图墩梁处的纵向约束1纵向放松 在主墩与梁处设纵向滑动支座； 在边墩与梁处设纵向滑动支座。2主墩纵向固定 在主墩与梁处设固定铰支座； 在边墩与梁处设纵向滑动支座。3主墩不对称 在主墩与梁处一端(N3)采用固定铰支座，另一端(N2)采用纵向滑动支座； 在边墩与梁处设纵向滑动支座。4主墩弹性 在主墩与梁处除设滑动铰支座外，还设纵向弹性约束装置或构件； 在边墩与梁处设纵向滑动支座。5主墩阻尼 在主墩与梁处设置阻尼约束； 在边墩与梁处设纵向滑动支座。6阻尼和弹性 在主墩与梁处设置阻尼和水平弹性约束； 在边墩与梁处设纵向滑动支座。表5 连续钢桁拱

12、桥的结构体系比较本桥方案采用表3中的（3）类即墩梁不对称约束体系。连续钢桁拱桥的地震响应一般采用反应谱法和时程分析法相互校核，但由于目前得到的工程场地地震安全性评价报告所给出的地震动参数不能满足初步设计的需要，本桥抗震计算所采用的反应谱还是采用公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）中类场地的动力放大系数。中震时，水平地震系数Kh=0.12，竖向地震系数Kv=0.08，并考虑两种组合：水平纵向0.12g + 竖直向0.08g水平横向0.12g + 竖直向0.08g大震时，水平地震系数Kh=0.127，竖向地震系数Kv=0.084，并考虑两种组合：水平纵向0.127g + 竖直向0.084g水

13、平横向0.127g + 竖直向0.084g本桥为钢桥，结构的阻尼比取为2%，上述确定的反应谱调整如下（表6）：在地震响应分析中，取前50阶反应组合，组合方法采用SRSS法，结构各主要部位的地震响应列于表5。本桥的结构特点对结构地震响应的影响表现在以下几个方面： 本桥方案为连续钢桁拱梁，结构自重较大，因此结构各主要部位的地震响应均较大。 本桥的结构为不对称结构，其不对称性表现为：纵桥向约束不对称和下部结构（墩柱）的纵向抗推刚度不对称，这两种不对称带来了结构的纵向地震内力反应的严重不平衡，导致较高的北岸边墩比较低的南岸边墩的纵向内力反应大得多，但本桥还是N3主桥墩控制本桥下部结构的设计。表6 结构

14、在不同周期下的反应谱值T(S)T(S)T(S)0.01.011.000.581.1781.3211.5561.10.6291.3000.8180.021.2511.250.601.1401.3201.5051.150.6031.2980.7830.041.501.0861.6290.621.1041.3191.4561.20.5781.2960.7490.061.751.1722.0510.641.0701.3181.4101.250.5551.2930.7180.082.001.2582.5160.661.0381.3181.3681.30.5341.2910.6890.12.251.344

15、3.0240.681.0081.3171.3281.350.5151.2900.6640.152.251.3413.0170.700.9801.3161.2901.40.4971.2870.6400.202.251.3393.0130.720.9531.3161.2541.450.4801.2850.6170.252.251.3373.0080.740.9281.3151.2201.50.4641.2820.5950.302.251.3363.0060.760.9041.3141.1881.60.4361.2800.5580.322.1111.3342.8160.780.8821.3131.1

16、581.70.4111.2760.5240.341.9891.3332.6510.80.8601.3121.1281.80.3881.2720.4940.361.8811.3312.5040.820.8391.3121.1011.90.3681.2690.4670.381.7841.3302.3730.840.8201.3111.0752.00.3501.2660.4430.41.6961.3292.2540.860.8011.3101.0492.10.3341.2630.4220.421.6171.3282.1470.880.7831.3091.0252.20.3191.2600.4020.

17、441.5451.3272.0500.90.7661.3081.0022.30.3051.2570.3830.461.4791.3261.9610.920.7501.3070.9802.40.3001.2530.3760.481.4191.3251.8800.940.7341.3060.9592.60.2711.2460.3380.51.3631.3241.8050.960.7191.3050.9382.80.2521.2400.3120.521.3121.3241.7370.980.7051.3040.9192.90.2451.2370.3030.541.2641.3231.6721.00.

18、6911.3030.9001000.3001.00000.3000.561.2201.3221.6131.050.6591.3030.859经验算，结构各部位的地震响应均在允许范围之内，结构的抗震性能是有保证的。4.2 结构的总体布置和抗震措施 结构的总体布置，前面已说明，对三孔四墩的连续钢桁拱桥的6种结构体系，如在两主墩若采用弹性约束体系或阻尼约束体系或二者的联合运用，是较理想的抗震结构体系，但由于结构的恒载很重，弹性约束刚度或阻尼器的阻尼力将很大，采用此方案将不很经济，故也不宜采用；本桥推荐采用不对称约束体系，实际上是一种常规约束，即三孔四墩连续梁的一个墩纵向约束，其它三个墩纵向放松，这种

19、方案是经济可行的。表7 结构各主要部位地震响应部位截 面横向反应纵向反应竖向反应M（KNm）Q(KN)(mm)M（KNm）Q(KN)(mm)N(KN)(mm)N1边墩墩顶23880130804602376墩底68900201810200017454923N2主墩墩顶4661007777244904098704墩底7744007782407104098715N3主墩墩顶5279008634333401851010380墩底78320086355758001854010390N4边墩墩顶78529982358墩底1814010302620拱顶上弦33210274下弦3608874 抗震构造措施：

20、对墩柱（尤其是N3主桥墩）的箍筋进行加密，保证其最小含箍率，满足参考依据1.2的有关要求。 在墩与梁交接处的横桥向约束，按支座支座破坏挡块挡块破坏多道设防体系。5 结构的静力稳定性分析本桥的结构稳定性计算采用空间有限元法进行,有限单元法采用通用的空间分析程序进行计算, 结构的静力稳定性分析计算模型同结构动力特性分析计算模型，计算时，分别在上下层桥面施加活载，计算结果和失稳模态图见图3。结构的稳定安全系数K定义为，其中Pcr为结构的极限承载力，PT在成桥状态为结构自重与营运活载之和，实际上K是结构达到极限承载力时关于PT的加载倍数。从成桥状态下的失稳模态图知，本桥的失稳模态是主跨梁拱的面外侧倾，

21、这和结构动力特性分析的结论是一致的。图4 推荐方案成桥状态计算结果和失稳模态图图5 比较方案成桥状态计算结果和失稳模态图6 结论 结构抗震分析结果表明：由于本桥为连续钢桁拱梁，结构自重较大，因此结构各主要部位的地震响应均较大。本桥的结构推荐方案为不对称结构，结构的不对称性带来了结构的纵向地震内力反应的严重不平衡，导致较高的北岸边墩比较低的南岸边墩的纵向内力反应大得多，但本桥还是N3主桥墩控制本桥下部结构的设计，经验算结构具有足够的抗震性能。 结构静力稳定性分析结果表明：由于本桥中跨采用系杆拱与桁梁联合体系桥，系杆拱与桁梁联合体系桥由于“非保向力效应”使结构的稳定安全系数有所提高，本桥推荐方案和比较方案成桥状态的稳定安全系数大于4，满足规范中的有关规定，因此，结构的静力稳定性是有充分保证的。