摘 要

以某地120 228 120m三跨连续钢桁柔性拱桥项目为工程背景，开展大跨度连续钢桁梁柔性拱桥抗震性能研究。大跨度桥梁在交通中起到的重大作用以及钢桁柔性拱桥结构的复杂性，使其地震响应十分复杂，因此大跨度连续钢桁梁柔性拱桥抗震性能研究是必要的。

文章首先介绍了大跨度连续钢桁梁柔性拱桥的国内外发展概况和抗震性能研究概况。然后以某连续钢桁柔性拱桥作为工程背景，通过有限元软件建模计算，对结构进行了动力特性分析，反应谱分析，一致激励下的线性时程分析，一致激励下的非线性时程分析和考虑行波效应的时程分析。

通过研究发现钢桁柔性拱桥竖向整体刚度较大，横向刚度较小，所以在进行结构设计时应加强横向刚度。该桥频带紧凑，应在设计计算时考虑振型之间的影响。距桥梁中点左右1/4拱的位置、3/4拱的位置、以及主桁加劲弦处支座处应力和位移较大，受地震影响严重，在进行结构设计时要加强这些位置的强度。几何非线性对结构影响较小。行波效应对结构影响较大，需要进行考虑行波效应。

关键词：钢桁架柔性拱桥；动力特性；抗震分析；行波效应

Abstract

Taking the 120 228 120m three-span continuous steel-thick flexible arch bridge project as an engineering background, the research on the seismic performance of a large-span continuous steel-truss beam flexible arch bridge was carried out. The major role of long-span bridges in traffic and the complexity of steel-truss flexible arch bridges make the seismic responses very complex. Therefore, it is necessary to study the seismic performance of long-span continuous steel trussed flexible arch bridges.

Firstly, the paper introduces the domestic and foreign development of large-span continuous steel trussed beam flexible arch bridges and general research status of seismic performance. Then, using a continuous steel-thick flexible arch bridge as the engineering background, the dynamic characteristics, response spectrum analysis, linear time-history analysis under uniform excitation and nonlinear time-history analysis under uniform excitation were performed through finite element software modeling. And consider the time history analysis of traveling wave effects.

Through research, it has been found that the vertical stiffness of steel-concrete flexible arch bridge is larger and the lateral rigidity is smaller, so the lateral stiffness should be strengthened when the structural design is carried out; the frequency band of this bridge is compact, and the influence of mode shapes should be taken into account in the design calculation; The location of the 1/4 arch around the midpoint, the location of the 3/4 arch, and the stress and displacement at the anchorage of the main stern stiffening string are relatively large and are severely affected by the earthquake. In the design of the structure, the strength of these positions must be strengthened; the geometric nonlinearity has less influence on the structure; the traveling wave effect has a greater influence on the structure and the traveling wave effect needs to be considered.

Key words:Steel-thick flexible arch bridge;Dynamic characteristics;Traveling wave affect；Seismic analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外大跨度连续钢桁梁柔性拱桥的发展概况 1

1.2.1国外大跨度连续钢桁梁柔性拱桥的发展概况 1

1.2.2国内大跨度连续钢桁梁柔性拱桥的发展概况 1

1.3大跨度连续钢桁梁柔性拱桥抗震性能研究概况 2

1.4工程背景 2

1.5本文主要研究内容 3

第二章 大跨度连续钢桁梁柔性拱桥动力特性分析 4

2.1工程背景简介 4

2.2有限元模型的建立 4

2.2.1荷载参数 4

2.2.2有限元分析模型 5

2.3动力特性分析 6

2.3.1结构特征振型 6

2.3.2结构自振频率分析 9

2.3.3动力特性分析 10

2.4本章小结 11

第三章 反应谱分析和一致激励线性动态时程分析 12

3.1引言 12

3.2反应谱曲线和时程分析曲线的选取 12

3.2.1反应谱曲线 12

3.2.2时程荷载曲线 12

3.3反应谱分析 13

3.3.1荷载工况 13

3.3.2应力响应 13

3.3.3位移响应分析 15

3.4一致激励线性时程分析 17

3.4.1荷载工况 17

3.4.2应力响应 17

3.4.3位移响应 21

3.5本章小结 23

第四章 一致激励非线性地震动态时程响应分析 24

4.1引言 24

4.2一致激励非线性时程响应分析 24

4.2.1荷载工况 24

4.2.2应力响应 24

4.2.3位移响应 27

4.3本章小结 29

第五章 考虑行波效应的时程响应分析 30

5.1引言 30

5.2考虑行波效应的时程响应分析 30

5.2.1荷载工况 30

5.2.2应力响应 30

5.2.3位移响应 32

5.3本章小结 33

结论 34

参考文献 35

致谢 37

1. 绪论

1.1引言

拱桥在我国已有一千八百多年的历史，其优点是样式多样、造型美观，主体结构受力以偏压为主，可以充分利用材料性能，是我国最常用的桥梁形式之一。

钢桁架拱桥既有一般钢桥的施工方便，又有拱桥的承载能力强的特点，逐渐被工程界所采纳，在国内外都得到了一定的应用。大跨度下的钢桁架拱桥相较于斜拉桥、悬索桥更是具有结构自重轻、强度与刚度大的优点，可以较好的抵抗地震作用。此外，钢桁梁柔性拱桥还具有优美的造型。所以，大跨度钢桁梁柔性拱桥成为地震频发区域的一种较为理想的桥型选择方案。

大跨度桥梁一般都是承受重大交通任务，在交通线中起着枢纽的作用，其抗震性能显得尤为重要。在震中运输和震后救援的过程中，大跨度桥梁的损坏将导致很严重的后果。国内外的几次大地震中，桥梁受损很严重，影响了救援速度，所以对桥梁进行抗震性能的研究是十分必要的。这是保证研究桥梁如何更好抵抗地震的基础。对于大跨度桥梁的抗震性能研究已经有一定的基础，但还不完全，大跨度连续钢桁梁柔性拱桥抗震性能的研究就是其中一种急需研究的。

1.2国内外大跨度连续钢桁梁柔性拱桥的发展概况

1.2.1国外大跨度连续钢桁梁柔性拱桥的发展概况

19世纪50年代，欧美工业革命后，钢材价格降低，钢结构桥梁开始广泛应用^[17]。而钢结构拱桥以其强度与刚度大、跨越能力强的优点成为大跨度桥的一种主要形式。1916年建成的狱门桥（原纽约铁路运输大桥或者东河拱桥），跨径298m，是一座钢筋拱形大跨度桥，为现代钢拱桥奠定了技术基础，是大跨度钢拱桥发展史上的里程碑。此后钢拱桥迅速发展，其中具有代表性的有：1932年在澳大利亚建成的悉尼海港大桥，主跨503m；1961年在英国建成的泰恩桥，主跨330m；1962年在巴拿马建成的塔歇尔桥，主跨344m；1977年在美国建成的新河谷桥，主跨518m；1990年在美国建成的罗斯福湖桥，主跨329m；2008年在日本建成的Kuko桥，主跨380m。此后国外大跨度钢桁架拱桥技术日臻完整，没有取得较大突破。

1.2.2国内大跨度连续钢桁梁柔性拱桥的发展概况

拱桥是我国传统桥梁的三大基本形式之一，在我国具有悠久的使用历史。但我国由于战争的原因钢拱桥发展起步较晚。

我国最早独立建成的钢架性拱桥是19世纪60年代的南京长江大桥，主跨180m；随着我国炼钢技术的发展，钢材的广泛使用使得大跨度钢桁架拱桥发展迅速。例如1966年建成的成昆线迎水河桥，主跨长112m；1974年建成的枝城长江大桥，主跨160m；1993年建成的九江长江大桥，主跨长216m；2009年建成的福厦铁路闽江特大桥，主跨长198m；2013年建成的厦深铁路榕江特大桥，主跨长220m。可以看到越来越多大跨度桥都采用了钢桁梁柔性拱桥的形式，我国大跨度钢桁架拱桥起步较晚，但发展迅速。

1.3大跨度连续钢桁梁柔性拱桥抗震性能研究概况

近20年来，全球发生了多次破坏性极大的地震：1999年中国台湾南投大地震，2005年苏门答腊大地震，2008年中国四川汶川大地震，2010年中国青海玉树地震2015年尼泊尔地震都对当地的交通网络造成了严重破坏，而桥梁作为交通网络中的关键节点，桥梁的抗震能力显得尤为重要，由此显示了桥梁抗震研究的必要性。

目前国内外大量实验研究和抗震理论主要是针对中、小跨径桥梁。这类桥梁一般较刚性。在地震作用下结构的内力反应较大。在限行规范中，主要采用延性抗震设计，利用选定部位的塑形变形来消耗地震能量、延长结构周期，从而减小地震反应力。延性抗震设计主要是基于强度设计方法来实现，采用强度折减系数对弹性地震力进行折减作为结构设计的目标，并强调能力设计原则。近年来美国学者提出了基于性能的抗震设计思想（Performance-Based Design Philosophy），该思想是基于结构位移的设计方法（Displacement-Based Approcah)。总体来说，桥梁抗震设计方法的发展趋势是从结构构件的强度到整体性能的转变^[16]。

大跨度桥梁虽然较少，但大跨度桥梁在交通网络中的作用却更为重要，对抗震性能的要求也高。对大跨度桥梁的抗震研究主要集中在桥梁地震反应分析方法和桥梁地震反应特性的研究。具体通过建模与计算研究多点激振和行波效应问题、三维地震动输入等问题。而对于大跨度柔性钢桁桥则还要结合其结构特性作更具体的研究。

1.4工程背景

本工程位于江苏北部的滨海平原区，地势宽广平坦，第四系全新统冲积、统海相沉积黏土。工程范围内地层主要为软塑～硬塑黏土、流塑淤泥质黏土，中密～密实粉土，稍密～密实粉砂，密实细沙、中砂，地层主要为软土为Ⅳ类场地。地下水主要为第四系孔隙水，对混凝土结构具有氯盐侵蚀，需防护。

该线路经过江苏省北部连云港、盐城地区，为温带－亚热带、湿润－半湿季风气候区，

四季气候分明。雨水丰沛，雨热同季，日照充足，无霜期较长。年平均气温13.6～14.4℃，最高气温35.7～37.2℃，最低气温-8.2～-9.2℃，最热月（7 月）平均气温26.3～34.4℃，最冷月（1 月）平均气温-5.1～1.5℃。

桥位处灌河处于径流和潮流的过渡段，既受径流的作用，又受潮汐的影响。目前除汛期以外，径流量对灌河口河道影响不大，起主导作用的是潮流。

本桥于 DK135 693.3～DK136 205.5 跨越灌河，属于三级航道，目前通行 1000 吨级海轮，净空要求为净宽 220m，净高不小于 21m。

地震动峰值加速度为 0.05g，场地基本烈度为 VI 度，地震动反应谱特征周期分区 为 3 区，场地土类型为 IV 类。

1.5本文主要研究内容

本文的研究对象是某120 228 120m三跨连续钢桁柔性拱桥研究对象，其主跨为228m。大跨度桥梁结构复杂且受地震后反应复杂，所以考虑桥梁在地震波沿纵、横、竖向及三维地震动输入和行波效应下的抗震性能研究是十分必要的。因此研究这类情况具有一定的理论价值和工程价值。

第一章：绪论。通过查阅大量国内外文献资料，简述了国内外大跨度连续钢桁梁柔性拱桥的发展概况，大跨度连续钢桁梁柔性拱桥抗震性能研究概况，工程背景和文章主要研究内容。

第二章：大跨度连续钢桁梁柔性拱桥动力特性分析。以某三跨连续钢桁柔性拱桥为工程背景，运用有限元软件建立大跨度连续钢桁梁柔性拱桥全桥三维有限元动力分析模型对其动力特性进行分析，研究其自振特性。

第三章：反应谱分析和一致激励线性动态时程分析。在地震波沿纵、横、竖向及三维地震动输入情况下，分别进行反应谱分析和一致激励线性动态时程分析，并对结果进行初步分析和比较。

第四章：一致激励非线性地震动态时程响应分析。基于该桥在地震动加速度时程输入下的几何非线性特性，进行一致激励非线性地震动态时程响应分析。

第五章：考虑行波效应的时程响应分析。基于结构在多点激励下的动力方程，对结构进行考虑行波效应的时程响应分析，并与一致激励地震动态时程响应分析相比较，对结构抗震性能做出初步评价。

1. 大跨度连续钢桁梁柔性拱桥动力特性分析

2.1工程背景简介

该桥为120 228 120m三跨连续钢桁柔性拱桥，双线铁路，线间距4.4m，边跨为平行桁梁，中跨为刚性梁柔性拱桁梁。

主桁为N形桁式，平弦桁高15m,节间长12m和13m，边跨及中跨跨中6个节间为12m。中跨靠近中支点的6个节间为13m。中支点下设加劲腿，加劲腿至下弦杆中心距离为15m，加劲腿与下弦间直线过渡，边跨为两个节间，中跨为一个节间过渡，柔性拱肋按圆曲线布置，矢高为69m，矢跨228m，矢跨比是1/3.3，以折代曲。平弦上拱高39米，下弦平面采用正交异形钢桥面板，钢桥面板与带整体节点的主桁下弦杆通长联结，共同承受主桁内力。

图2.1桥面布置图

图2.2主桁横断面图

2.2有限元模型的建立

2.2.1荷载参数

2.2.1.1横载

一期横载：根据钢桁梁构件实际截面与容重计算；合计：218kN/m。

二期横载：混凝土道碴槽，道碴、轨道结构和辅助结构等二期横载按210kN/m计算。

2.2.1.2活载

铁路一级。

2.2.1.3风荷载

按《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）第4.4.1条计算，取得如下三种状态风荷载，数值如表2.1。

表2.1 不同工况下风荷载表

2.2.1.4设计温度

体系温度及合拢温度20℃计。

系统温差：分别按体系升降温35℃考虑。

2.2.1.5支座沉降

支点不均匀沉降按2cm考虑。

2.2.1.6地震烈度

基本烈度6度，按7度设防。

2.2.2有限元分析模型

本文使用有限元软件MIDAS进行模型建立，模型如图2.3。

该模型共有节点863个，主拱和各桁架均采用梁单元，共有单元1754个。

边界约束主要加在拱脚和主梁横端支座处。

各项荷载按照要求进行加载。

图2.3全桥有限元模型

2.3动力特性分析

2.3.1结构特征振型

结构的前10阶特征阵型图如图2.4~2.13所示

第一阶特征振型

图2.4 第一阶特征振型

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：