朝天門長江大橋結(jié)構(gòu)抗震和靜力穩(wěn)定性初步分析報告(550m鋼桁架拱橋)

1、.重慶朝天門長江大橋結(jié)構(gòu)抗震和靜力穩(wěn)定性初步分析目 錄1 采用的規(guī)范及參考依據(jù)2 抗震設(shè)防標準的確定3 結(jié)構(gòu)動力特性分析3.1 計算圖式3.2 邊界條件3.3 動力特性分析4 結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)5 結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性分析6 結(jié)論重慶朝天門大橋工程位于重慶市區(qū)，初步設(shè)計鋼桁拱橋的跨度布置為：190+552+190932米。其主墩（N2、N3）均為矩形獨柱墩，邊墩（N1、N4）均采用矩形截面框架墩，靠近江北岸的N1墩高達78米（自承臺以上），而靠近江南岸的N4墩只有36米（自承臺以上）。上下層橋面均為正交各向異性板，桁高為11.83米，上層橋面寬36.5米，下層橋面寬29米，上層橋面重16.8t/m，下

2、層橋面重13.7t/m，主桁重27t/m。大橋所在地區(qū)地震動峰值加速度為0.12g，為確保該橋在成橋運營狀態(tài)的抗震安全和結(jié)構(gòu)具有足夠的靜力穩(wěn)定性，必須對該橋的抗震安全性和結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性進行全面的分析。1采用的規(guī)范及參考依據(jù)11 中華人民共和國交通部部標準公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTJ021-89）12 中華人民共和國交通部部標準公路工程抗震設(shè)計規(guī)范（JTJ004-89）13 重慶市地震局重慶市王家沱長江大橋工程場地地震安全性評價報告（2003年12月）2抗震設(shè)防標準的確定對于連續(xù)鋼桁拱橋的抗震設(shè)防，首先是要確定一個安全經(jīng)濟合理的抗震設(shè)防標準，根據(jù)該橋橋址區(qū)的地震地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，近場區(qū)的地震活動性和

3、近場區(qū)地震地質(zhì)穩(wěn)定性評價，結(jié)合本橋是特大型橋梁，為重要的生命線工程，按中華人民共和國防震減災(zāi)法第十七條規(guī)定，本工程必須進行地震安全性評價。該項工作已由重慶市地震局完成 （見參考依據(jù)1.3）。連續(xù)鋼桁拱橋的地震響應(yīng)一般采用反應(yīng)譜法和時程分析法相互校核，但由于目前未得到本橋場地的地震加速度時程，因而時程分析法無法進行。橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)采用反應(yīng)譜理論進行，反應(yīng)譜擬采用安評報告P115中的形式。對于本橋，上式中的各參數(shù)見安評報告P117的表6-4（見下表）。工程場地水平向設(shè)計地震動峰值加速度及反應(yīng)譜參數(shù)場址超越概率值T1（sec）T2（sec）PAG（gal）（水平向）王家沱大橋（朝天門大橋）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由于本橋為特大橋，為生命線工程，因此，大橋的設(shè)計基準期應(yīng)取為100年，按照抗震設(shè)防原則“小震不壞，中震可修，大震不倒”，小震應(yīng)取100年超越概率63%的概率水平下的地震動參數(shù)，中、大震則分別取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動參數(shù)，根據(jù)參考依據(jù)1.3，本橋抗震計算取：（1）中震（100Y10%的概率水平）下的地震動參數(shù)（PGA=11

5、8.1gal，Kh =0.12）檢算結(jié)構(gòu)物的的強度；（2）大震（100Y2%的概率水平）下的地震動參數(shù)（PGA=124.2gal，Kh =0.127）檢算結(jié)構(gòu)物的變形。3結(jié)構(gòu)動力特性分析3.1 計算圖式鋼桁拱橋模型嚴格按結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙對上下弦桿、腹桿、拱肋、拱肋上下平聯(lián)、縱橫梁、拱肋橫聯(lián)、橋門架等構(gòu)件進行模擬，所有構(gòu)件均采用空間梁單元，對于上下層橋面板，將其剛度與質(zhì)量等效分配到縱橫梁上，上下層橋面每節(jié)間由兩道直腹桿相連接形成框架，在下橋面處，由系桿平衡鋼桁拱的水平推力。成橋狀態(tài)計算圖式見圖1（a）、圖1（b）。圖1（a） 主橋結(jié)構(gòu)計算圖式的立面圖圖1 (b) 主橋結(jié)構(gòu)計算模型的空間圖式（45斜平

6、面）3.2 邊界條件本橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)各部位邊界條件如下（見表1）表1 主橋推薦方案成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)各部位邊界條件結(jié)構(gòu)部位xyzxyzN1、N4邊墩在承臺頂處111111與桁梁交接處011101N2主墩在承臺頂處111111與桁梁交接處011101N3主墩在承臺頂處111111與桁梁交接處111101表2 主橋比較方案成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)各部位邊界條件結(jié)構(gòu)部位xyzxyzN1、N4邊墩在承臺頂處111111與桁梁交接處011101N2主墩在承臺頂處111111與桁梁交接處111111N3主墩在承臺頂處111111與桁梁交接處111111說明：表中，x、y、z分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向的線位移，x、y、

7、z分別表示繞縱橋向、橫橋向、豎橋向的轉(zhuǎn)角位移。1-約束，0-放松。3.3 結(jié)構(gòu)動力特性分析主橋推薦方案成橋狀態(tài)的振型主要特點見表3，其相應(yīng)的振型圖見圖2；比較方案成橋狀態(tài)的振型主要特點見表4，其相應(yīng)的振型圖見圖3。從振型圖來看：本橋盡管跨度很大，但由于在結(jié)構(gòu)體系中采取了合理的布置，且主桁的豎向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度均較大，使主梁具有較高的豎彎自振頻率、扭轉(zhuǎn)自振頻率和扭彎頻率比，同時，對結(jié)構(gòu)控制截面地震響應(yīng)貢獻最大的振型的周期都比較長，為大橋的抗震安全性提供了良好的結(jié)構(gòu)動力學基礎(chǔ)。本橋結(jié)構(gòu)動力特性有如下的特點： 雖然本橋主跨很大，但中跨采用系桿拱與桁梁聯(lián)合體系橋，增加了鋼桁梁的豎向剛度，直接導致結(jié)構(gòu)的豎

8、彎基頻的增加，同時，由于吊桿的作用，拱桁的豎彎振型是相互伴隨而出現(xiàn)的。同時，經(jīng)過計算分析比較，本橋結(jié)構(gòu)當主跨不變，邊跨由140m增加到190m時，拱桁的橫彎基頻幾乎不變，扭轉(zhuǎn)基頻下降3%左右，而豎彎基頻下降23%。 由于中跨很大，且中跨的上下層橋面的單位長度的重量近30t/m，而連續(xù)鋼桁梁和鋼桁拱的寬度為29m，寬跨比為，故結(jié)構(gòu)的橫彎基頻較小，僅為0.1978HZ，在第一階首先出現(xiàn)，這就決定了本橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)將是主跨梁和拱的面外失穩(wěn)，且穩(wěn)定安全系數(shù)與邊跨的大小影響不顯著。 主跨采用鋼桁梁，這對增大主梁的顫振臨界風速，減小渦激振的振幅，減小抖振響應(yīng)以及提高結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性均有程度不同的

9、提高。表3 主橋推薦方案成橋狀態(tài)動力特性NO振型特性自振頻率(HZ)自振圓頻率(rad/s)自振周期(s)1梁、拱橫彎0.19781.24285.05562全橋縱向振動+梁拱豎彎0.27561.73163.62843梁拱橫彎0.36782.31102.71894梁拱橫彎0.37762.37252.64835梁拱豎彎0.39522.48312.53046梁拱橫彎0.40752.56042.45407梁拱橫彎0.47312.97262.113711梁拱扭轉(zhuǎn)0.66634.18651.5008扭彎頻率比表4 主橋比較方案成橋狀態(tài)動力特性NO振型特性自振頻率(HZ)自振圓頻率(rad/s)自振周期(s

10、)1梁、拱橫彎0.20741.30314.82162全橋縱向振動+梁拱豎彎0.30551.91953.26263梁拱橫彎0.36792.31152.71814梁拱橫彎0.38022.38892.63025梁拱橫彎0.42272.65592.36576梁拱橫彎0.47763.00082.09387梁拱豎彎0.54323.41301.840911梁拱扭轉(zhuǎn)0.66934.20531.4941扭彎頻率比圖2 推薦方案成橋狀態(tài)振型圖圖3 比較方案成橋狀態(tài)振型圖4結(jié)構(gòu)的抗震分析41 結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng) 對大跨度連續(xù)鋼桁拱橋的抗震分析，首先應(yīng)從連續(xù)鋼桁拱橋抗震結(jié)構(gòu)體系入手，從抗震設(shè)計的角度來看，連續(xù)鋼桁拱橋的墩

11、梁交接處的縱向約束條件可分成四類六種(表5)類型結(jié)構(gòu)體系示意圖墩梁處的縱向約束1縱向放松 在主墩與梁處設(shè)縱向滑動支座； 在邊墩與梁處設(shè)縱向滑動支座。2主墩縱向固定 在主墩與梁處設(shè)固定鉸支座； 在邊墩與梁處設(shè)縱向滑動支座。3主墩不對稱 在主墩與梁處一端(N3)采用固定鉸支座，另一端(N2)采用縱向滑動支座； 在邊墩與梁處設(shè)縱向滑動支座。4主墩彈性 在主墩與梁處除設(shè)滑動鉸支座外，還設(shè)縱向彈性約束裝置或構(gòu)件； 在邊墩與梁處設(shè)縱向滑動支座。5主墩阻尼 在主墩與梁處設(shè)置阻尼約束； 在邊墩與梁處設(shè)縱向滑動支座。6阻尼和彈性 在主墩與梁處設(shè)置阻尼和水平彈性約束； 在邊墩與梁處設(shè)縱向滑動支座。表5 連續(xù)鋼桁拱

12、橋的結(jié)構(gòu)體系比較本橋方案采用表3中的（3）類即墩梁不對稱約束體系。連續(xù)鋼桁拱橋的地震響應(yīng)一般采用反應(yīng)譜法和時程分析法相互校核，但由于目前得到的工程場地地震安全性評價報告所給出的地震動參數(shù)不能滿足初步設(shè)計的需要，本橋抗震計算所采用的反應(yīng)譜還是采用公路工程抗震設(shè)計規(guī)范（JTJ004-89）中類場地的動力放大系數(shù)。中震時，水平地震系數(shù)Kh=0.12，豎向地震系數(shù)Kv=0.08，并考慮兩種組合：水平縱向0.12g + 豎直向0.08g水平橫向0.12g + 豎直向0.08g大震時，水平地震系數(shù)Kh=0.127，豎向地震系數(shù)Kv=0.084，并考慮兩種組合：水平縱向0.127g + 豎直向0.084g水

13、平橫向0.127g + 豎直向0.084g本橋為鋼橋，結(jié)構(gòu)的阻尼比取為2%，上述確定的反應(yīng)譜調(diào)整如下（表6）：在地震響應(yīng)分析中，取前50階反應(yīng)組合，組合方法采用SRSS法，結(jié)構(gòu)各主要部位的地震響應(yīng)列于表5。本橋的結(jié)構(gòu)特點對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響表現(xiàn)在以下幾個方面： 本橋方案為連續(xù)鋼桁拱梁，結(jié)構(gòu)自重較大，因此結(jié)構(gòu)各主要部位的地震響應(yīng)均較大。 本橋的結(jié)構(gòu)為不對稱結(jié)構(gòu)，其不對稱性表現(xiàn)為：縱橋向約束不對稱和下部結(jié)構(gòu)（墩柱）的縱向抗推剛度不對稱，這兩種不對稱帶來了結(jié)構(gòu)的縱向地震內(nèi)力反應(yīng)的嚴重不平衡，導致較高的北岸邊墩比較低的南岸邊墩的縱向內(nèi)力反應(yīng)大得多，但本橋還是N3主橋墩控制本橋下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計。表6 結(jié)構(gòu)

14、在不同周期下的反應(yīng)譜值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經(jīng)驗算，結(jié)構(gòu)各部位的地震響應(yīng)均在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)的抗震性能是有保證的。4.2 結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震措施 結(jié)構(gòu)的總體布置，前面已說明，對三孔四墩的連續(xù)鋼桁拱橋的6種結(jié)構(gòu)體系，如在兩主墩若采用彈性約束體系或阻尼約束體系或二者的聯(lián)合運用，是較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系，但由于結(jié)構(gòu)的恒載很重，彈性約束剛度或阻尼器的阻尼力將很大，采用此方案將不很經(jīng)濟，故也不宜采用；本橋推薦采用不對稱約束體系，實際上是一種常規(guī)約束，即三孔四墩連續(xù)梁的一個墩縱向約束，其它三個墩縱向放松，這種

19、方案是經(jīng)濟可行的。表7 結(jié)構(gòu)各主要部位地震響應(yīng)部位截 面橫向反應(yīng)縱向反應(yīng)豎向反應(yīng)M（KNm）Q(KN)(mm)M（KNm）Q(KN)(mm)N(KN)(mm)N1邊墩墩頂23880130804602376墩底68900201810200017454923N2主墩墩頂4661007777244904098704墩底7744007782407104098715N3主墩墩頂5279008634333401851010380墩底78320086355758001854010390N4邊墩墩頂78529982358墩底1814010302620拱頂上弦33210274下弦3608874 抗震構(gòu)造措施： 對墩柱（尤其是N3主橋墩）的箍