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摘要：钢管混凝土拱桥具有跨越能力大、强度高、重量轻、施工速度快等优点，近年来在我国公路桥梁建设中如异军突起，发展迅速。随着跨度的增大，研究其动力特性及抗震性能是十分必要的目前钢管混凝土拱桥的抗震理论研究尚属起步阶段，在工程实践中并无系统的设计体系，没有专门的设计规范；同时鉴于钢管混凝土拱桥属于新桥型，迄今尚无经历过强震考验的实例，对其经历地震作用的认识还十分有限。因此，进行钢管混凝土拱桥抗震性能研究，建立完善的动力分析方法，确定科学的抗震设计原则是一项紧迫的工作。
关键词：钢管混凝土拱桥；反应谱分析；抗震设计
1.钢管混凝土拱桥抗震分析的意义
我国是一个地震多发国家，人民的生命财产长期受到地震灾害的威胁。仅1976年的唐山大地震（震级M7.8级）就造成24万居民死亡，这在近代的地震历史中是十分罕见的大灾难；2008年5月12日14时28分04秒，四川汶川发生了震级M8.0级的大地震，地震造成67551人死亡，18209人失踪，374176人受伤。为了减少地震造成的损失，土木工程结构必须具有足够的抗震能力。桥梁作为道路的重要组成部分，其抗震能力得到了学者们的普遍关注。钢管混凝土拱桥具有跨越能力大，受力性能优越等纵多特点，是大跨度桥梁中常见的桥型之一，自1990年四川旺苍东河大桥建设以来，我国的钢管混凝土拱桥数量达到200余座。对大跨度钢管混凝土拱桥的抗震性能进行深入分析具有重大意义。
2.大跨度钢管混凝拱桥特点
大跨度钢管混凝土系杆拱桥兼有钢管混凝土结构和系杆拱桥的特点：作为钢管混凝土结构，因钢管内填充了混凝土，增加了钢管壁受压时的稳定性，而且钢管壁对混凝土起套箍作用，使管内混凝土处于三向受压状态，充分发挥了混凝土的抗压强度、提高了混凝土的延性；作为系杆拱桥，系杆拱组合体系将拱肋的推力传给系杆，使体系成为外部静定、内部超静定的结构，系杆和拱肋均有一定的刚度，荷载引起的弯矩在系杆与拱肋之间按刚度分配，它们共同承担体系的轴力和弯矩。
系杆拱桥主要分为有推力和无推力组合体系，无推力系杆拱桥能够较好地适应不良地层和具有较小的建筑高度，主要由拱助、吊杆、系杆（梁）三部份组成。根据上下部分结构的联接方式，系杆拱又可分为两种，一种是上下部之间刚接，一种是简支
3.桥梁结构地震响应分析方法
桥梁抗震设计中地震响应计算方法从静力计算方法向动力计算方法转变，随着计算 机的发展和普及以及桥梁结构形式的复杂化、多样化，有限单元数值计算方法成为桥梁结构动力分析的主流。地震响应计算方法随着抗震思路的发展而发展。地震响应分析方法可以分为静力理论和动力理论两大类。
1.1静力理论
静力理论创始于意大利，发展于日本。1900年左右，日本学者大森房吉、佐野利器等对其发展做出了重要贡献。静力理论认为，结构物是刚体，其最大加速度等于地震动最大加速度，由于静力理论的力学概念明确，计算简便，几十年来一直受到重视。但是结构物并不是绝对刚性的，而是可变形的，所以在地震发生时不同高程的结构物反应加速度与其基础的反应加速度不尽相同。静力理论没有考虑结构的动力特性和场地差别对建筑结构的影响，这种设计方法比较粗略。
1.2反应谱理论
1940年，美国的Biot教授提出了弹性反应谱的概念，反应谱是单自由度弹性体系在获取的众多地震记录的激励下，结构周期与响应之间的关系，包括加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱。它综合考虑了结构的动力特性，至今仍然是各国规范设计地震力取值的基础。下面重点介绍单自由度结构的反应谱理论。反应谱基本原理：反应谱分析法有以下假定：结构支承处所受的激励是一致的；结构的地震响应是线性的；结构物的最大地震响应视为其最不利地震响应，与其它动力响应参数无关。
反应谱分析是一种快捷有效的地震反应分析方法，在我国现行的公路、铁路桥梁抗震设计中得到了广泛运用。通过用加速度反应谱分析进行该桥的结构计算，证明该桥能抵抗0.05g的地震强度，桥梁的设计满足抗震设防要求。桥梁第1阶振型为拱肋横弯，第2阶振型为拱肋和系梁纵向弯曲，第3阶振型才是竖向挠曲，因此对车震反应不会太激烈，有利于桥梁的运营。
2.钢管混凝土系杆拱桥地震反应谱分析
2.1桥梁基本概况
某铁路线上一拱肋截面为哑铃型的钢管混凝土系杆拱桥计算跨径128m，主梁全长132m，主桥位于半径为3500m的圆曲线上，线路纵坡5‰。外视距为62cm，由超高引起曲线内侧限界加宽值56cm，曲线外侧限界加宽值2cm，曲线总加宽值为120cm。
2.2根据设计的要求，要对该拱桥进行地震反应分析。包含地震力的荷载组合如下：恒载（含二期恒载）+混凝土收缩、徐变+地震力
2.3有限元模型基本概况
利用ANSYS进行分析，拱肋混凝土、拱脚加强混凝土和系梁混凝土采用SOLID45实体单元，拱肋钢管采用SHELL63壳单元，吊杆和预应力钢筋采用LINK8只受拉杆单元，横向联系采用beam44三维空间梁单元。横联与拱肋、吊杆与拱肋、吊杆与系梁之间的连接采用节点自由度耦合的方法实现，预应力钢筋节点与混凝土节点也采用自由度耦合的办法实现。
拱肋混凝土划分30912个实体单元，拱脚加强混凝土和系梁混凝土划分73872个实体单元，拱肋钢管划分11488个壳单元，吊杆划分28个杆单元，预应力钢筋劃分4756个杆单元，横联划分108个梁单元。全桥共计121164个单元、97777个节点。桥梁模型以X轴为纵桥向，Y轴为横桥向，Z负轴方向为重力方向。桥梁中心位于全局笛卡尔坐标系原点。模型采用的单位系统为kg-m-s。桥梁模型的边界采用简支形式。有限元模型根据设计图纸提供的吊杆初始张拉力施加于吊杆单元上。结构动力分析考虑预应力效应。二期恒载则通过修改桥面单元的密度来实现其参与结构的振动。
2.4有限元模型中仅考虑钢筋与管道之间的摩阻损失和锚头变形、钢筋回缩的接缝压缩损失、应力松弛损失和混凝土徐变收缩引起的预应力损失共4种情况。
2.5张拉时，由于钢筋与管道间的摩擦引起的应力损失按规范计算，用APDL语言编制程序段实现预应力钢筋不同位置的不同损失值。
2.6反应谱分析结果
做好模态分析后，即可进行反应谱分析。根据设计要求确定加速度反应谱值，然后用SRSS法做谱分析。
3.结论
总之，大跨度钢管混凝拱桥拱桥的抗震好坏直接影响着国家的经济建设，同时，也密切关系着广大人民的生命财产安全。只要我们在工程中加强各个环节的施工技术，就可以最大程度地保障钢管混凝土系杆拱桥的质量安全。这也对我国高层建筑的发展、优化和改善抗震性能，都将具有极其重要的意义。
参考文献：
[1]刘立鹏.钢管混凝土系杆拱桥施工技术难题及对策[J].科技致富向导，2011，（11）.
[2]殷金莲.钢管混凝土系杆拱桥施工监控技术研究[J].交通世界（运输.车辆），2011，（07）.
[3]赖允深，黄天立.大跨度钢桁架系杆拱桥施工过程抗震分析[J].公路交通科技（应用技术版），2011，（03）
关键词：钢管混凝土拱桥；反应谱分析；抗震设计
1.钢管混凝土拱桥抗震分析的意义
我国是一个地震多发国家，人民的生命财产长期受到地震灾害的威胁。仅1976年的唐山大地震（震级M7.8级）就造成24万居民死亡，这在近代的地震历史中是十分罕见的大灾难；2008年5月12日14时28分04秒，四川汶川发生了震级M8.0级的大地震，地震造成67551人死亡，18209人失踪，374176人受伤。为了减少地震造成的损失，土木工程结构必须具有足够的抗震能力。桥梁作为道路的重要组成部分，其抗震能力得到了学者们的普遍关注。钢管混凝土拱桥具有跨越能力大，受力性能优越等纵多特点，是大跨度桥梁中常见的桥型之一，自1990年四川旺苍东河大桥建设以来，我国的钢管混凝土拱桥数量达到200余座。对大跨度钢管混凝土拱桥的抗震性能进行深入分析具有重大意义。
2.大跨度钢管混凝拱桥特点
大跨度钢管混凝土系杆拱桥兼有钢管混凝土结构和系杆拱桥的特点：作为钢管混凝土结构，因钢管内填充了混凝土，增加了钢管壁受压时的稳定性，而且钢管壁对混凝土起套箍作用，使管内混凝土处于三向受压状态，充分发挥了混凝土的抗压强度、提高了混凝土的延性；作为系杆拱桥，系杆拱组合体系将拱肋的推力传给系杆，使体系成为外部静定、内部超静定的结构，系杆和拱肋均有一定的刚度，荷载引起的弯矩在系杆与拱肋之间按刚度分配，它们共同承担体系的轴力和弯矩。
系杆拱桥主要分为有推力和无推力组合体系，无推力系杆拱桥能够较好地适应不良地层和具有较小的建筑高度，主要由拱助、吊杆、系杆（梁）三部份组成。根据上下部分结构的联接方式，系杆拱又可分为两种，一种是上下部之间刚接，一种是简支
3.桥梁结构地震响应分析方法
桥梁抗震设计中地震响应计算方法从静力计算方法向动力计算方法转变，随着计算 机的发展和普及以及桥梁结构形式的复杂化、多样化，有限单元数值计算方法成为桥梁结构动力分析的主流。地震响应计算方法随着抗震思路的发展而发展。地震响应分析方法可以分为静力理论和动力理论两大类。
1.1静力理论
静力理论创始于意大利，发展于日本。1900年左右，日本学者大森房吉、佐野利器等对其发展做出了重要贡献。静力理论认为，结构物是刚体，其最大加速度等于地震动最大加速度，由于静力理论的力学概念明确，计算简便，几十年来一直受到重视。但是结构物并不是绝对刚性的，而是可变形的，所以在地震发生时不同高程的结构物反应加速度与其基础的反应加速度不尽相同。静力理论没有考虑结构的动力特性和场地差别对建筑结构的影响，这种设计方法比较粗略。
1.2反应谱理论
1940年，美国的Biot教授提出了弹性反应谱的概念，反应谱是单自由度弹性体系在获取的众多地震记录的激励下，结构周期与响应之间的关系，包括加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱。它综合考虑了结构的动力特性，至今仍然是各国规范设计地震力取值的基础。下面重点介绍单自由度结构的反应谱理论。反应谱基本原理：反应谱分析法有以下假定：结构支承处所受的激励是一致的；结构的地震响应是线性的；结构物的最大地震响应视为其最不利地震响应，与其它动力响应参数无关。
反应谱分析是一种快捷有效的地震反应分析方法，在我国现行的公路、铁路桥梁抗震设计中得到了广泛运用。通过用加速度反应谱分析进行该桥的结构计算，证明该桥能抵抗0.05g的地震强度，桥梁的设计满足抗震设防要求。桥梁第1阶振型为拱肋横弯，第2阶振型为拱肋和系梁纵向弯曲，第3阶振型才是竖向挠曲，因此对车震反应不会太激烈，有利于桥梁的运营。
2.钢管混凝土系杆拱桥地震反应谱分析
2.1桥梁基本概况
某铁路线上一拱肋截面为哑铃型的钢管混凝土系杆拱桥计算跨径128m，主梁全长132m，主桥位于半径为3500m的圆曲线上，线路纵坡5‰。外视距为62cm，由超高引起曲线内侧限界加宽值56cm，曲线外侧限界加宽值2cm，曲线总加宽值为120cm。
2.2根据设计的要求，要对该拱桥进行地震反应分析。包含地震力的荷载组合如下：恒载（含二期恒载）+混凝土收缩、徐变+地震力
2.3有限元模型基本概况
利用ANSYS进行分析，拱肋混凝土、拱脚加强混凝土和系梁混凝土采用SOLID45实体单元，拱肋钢管采用SHELL63壳单元，吊杆和预应力钢筋采用LINK8只受拉杆单元，横向联系采用beam44三维空间梁单元。横联与拱肋、吊杆与拱肋、吊杆与系梁之间的连接采用节点自由度耦合的方法实现，预应力钢筋节点与混凝土节点也采用自由度耦合的办法实现。
拱肋混凝土划分30912个实体单元，拱脚加强混凝土和系梁混凝土划分73872个实体单元，拱肋钢管划分11488个壳单元，吊杆划分28个杆单元，预应力钢筋劃分4756个杆单元，横联划分108个梁单元。全桥共计121164个单元、97777个节点。桥梁模型以X轴为纵桥向，Y轴为横桥向，Z负轴方向为重力方向。桥梁中心位于全局笛卡尔坐标系原点。模型采用的单位系统为kg-m-s。桥梁模型的边界采用简支形式。有限元模型根据设计图纸提供的吊杆初始张拉力施加于吊杆单元上。结构动力分析考虑预应力效应。二期恒载则通过修改桥面单元的密度来实现其参与结构的振动。
2.4有限元模型中仅考虑钢筋与管道之间的摩阻损失和锚头变形、钢筋回缩的接缝压缩损失、应力松弛损失和混凝土徐变收缩引起的预应力损失共4种情况。
2.5张拉时，由于钢筋与管道间的摩擦引起的应力损失按规范计算，用APDL语言编制程序段实现预应力钢筋不同位置的不同损失值。
2.6反应谱分析结果
做好模态分析后，即可进行反应谱分析。根据设计要求确定加速度反应谱值，然后用SRSS法做谱分析。
3.结论
总之，大跨度钢管混凝拱桥拱桥的抗震好坏直接影响着国家的经济建设，同时，也密切关系着广大人民的生命财产安全。只要我们在工程中加强各个环节的施工技术，就可以最大程度地保障钢管混凝土系杆拱桥的质量安全。这也对我国高层建筑的发展、优化和改善抗震性能，都将具有极其重要的意义。
参考文献：
[1]刘立鹏.钢管混凝土系杆拱桥施工技术难题及对策[J].科技致富向导，2011，（11）.
[2]殷金莲.钢管混凝土系杆拱桥施工监控技术研究[J].交通世界（运输.车辆），2011，（07）.
[3]赖允深，黄天立.大跨度钢桁架系杆拱桥施工过程抗震分析[J].公路交通科技（应用技术版），2011，（03）