梁拱組合橋地震響應(yīng)對(duì)矢跨比的敏感性研究

倪建華

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011)

梁拱組合橋地震響應(yīng)對(duì)矢跨比的敏感性研究

倪建華

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011)

在地震作用下，梁拱組合體系橋梁的矢跨比對(duì)于橋梁不同關(guān)鍵截面的地震響應(yīng)具有重要影響，且影響程度具有顯著差異。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中可以通過設(shè)置合理的矢跨比，有效改善梁拱組合體系橋梁的抗震性能，降低重要構(gòu)件的地震響應(yīng)，確保橋梁的地震安全性。

橋梁抗震；梁拱組合橋；地震響應(yīng)；矢跨比

梁拱組合體系橋梁結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，矢跨比、梁拱剛度比等重要設(shè)計(jì)參數(shù)均有可能對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力性能產(chǎn)生顯著影響[1-4]。目前，國內(nèi)外對(duì)于梁拱組合體系橋梁的抗震研究較少，各重要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律及其震害機(jī)理的重要影響仍需要進(jìn)一步研究[5-6]。因此，本文將主要研究梁拱組合橋梁地震響應(yīng)對(duì)矢跨比的敏感性，為該類橋梁設(shè)計(jì)提供參考，顯著提高橋梁抗震設(shè)計(jì)的有效性和合理性。

1 算例工程

本文選擇了一座梁拱組合體系橋梁作為算例工程，該橋上部結(jié)構(gòu)采用(30 m+80 m+30 m)的梁拱組合體系，主跨采用剛性系桿剛性拱，計(jì)算跨徑L=80 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/4，矢高為20.0 m，拱肋采用等截面矩形截面，每片拱片設(shè)間距為4.0 m的吊桿17根。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用實(shí)體式墩身下設(shè)承臺(tái)接8根樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用蓋梁接2根樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)直徑均為2.2 m，按摩擦樁設(shè)計(jì)。算例橋梁的立面布置圖具體見圖1所示。

圖1 算例橋梁立面布置圖

本文采用通用有限元分析軟件SAP2000建立了算例橋梁的抗震有限元模型，并進(jìn)行全橋的地震響應(yīng)分析，抗震有限元模型見圖2所示。

圖2 算例橋梁抗震有限元模型

2 地震動(dòng)輸入

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，獲得算例橋梁在E1和E2兩個(gè)水準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)水平加速度反應(yīng)譜，并生成匹配兩個(gè)地震水準(zhǔn)的人工加速度時(shí)程波各3條，規(guī)范設(shè)計(jì)譜及其與人工波反應(yīng)譜之間的對(duì)比見圖3和圖4所示。地震動(dòng)輸入分別采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種方式，豎向地震取為水平地震的0.5倍。

圖3 E1地震水準(zhǔn)下反應(yīng)譜對(duì)比圖

圖4 E2地震水準(zhǔn)下反應(yīng)譜對(duì)比圖

3 地震響應(yīng)分析

矢跨比是影響拱圈受力的主要因素之一，對(duì)于梁拱組合體系橋梁而言，拱軸線大都采用拋物線，矢跨比大致在1/7～1/4。算例橋梁的矢跨比為1/4，為了探討矢跨比對(duì)橋梁抗震性能的影響，在構(gòu)件尺寸、材料等保持不變的情況下，把該橋的矢跨比分別調(diào)整為1/5、1/6、1/7。

針對(duì)算例橋梁的結(jié)構(gòu)和抗震特點(diǎn)，選取地震響應(yīng)最不利的部位及截面主要包括墩柱的墩底截面(即截面1，分左右墩，截面1-左、截面1-右)、主拱圈的拱腳截面(即截面2，分左右，截面2-左、截面2-右)、系梁與飛燕連接處的突變截面(即截面3，分左右，截面3-左、截面3-右)等處。

(1) 縱向+豎向地震。在縱向+豎向地震作用下，對(duì)于E1和E2兩個(gè)地震水準(zhǔn)，矢跨比對(duì)于拱梁組合體系橋梁關(guān)鍵部位縱橋向地震響應(yīng)的影響基本一致，具體見圖5～圖7所示。

圖5 關(guān)鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(縱向+豎向地震)

圖6 關(guān)鍵截面剪力隨矢跨比的變化圖(縱向+豎向地震)

圖7 關(guān)鍵截面彎矩隨矢跨比的變化圖(縱向+豎向地震)

分析圖5可知，矢跨比的變化對(duì)墩底截面(即截面1)的地震軸力響應(yīng)影響較小，但對(duì)拱腳截面(即截面2)和系梁最不利受力截面(即截面3)的影響較大。當(dāng)矢跨比由1/4變化到1/7時(shí)，截面2的地震軸力響應(yīng)逐漸增大；而截面3的地震軸力響應(yīng)則逐漸下降；截面1的地震軸力響應(yīng)也略有上升。因此，在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面和墩底截面的軸力響應(yīng)處于最低水平；而系梁受力最不利截面的軸力響應(yīng)則為最大值。

分析圖6可知，矢跨比的變化對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵截面的地震剪力響應(yīng)影響比軸力小，系梁受力最不利截面的剪力響應(yīng)幾乎沒有變化。當(dāng)矢跨比由1/4變到1/7時(shí)，截面1的地震剪力響應(yīng)略有增長；截面2的地震剪力響應(yīng)略有下降；而截面3的地震剪力響應(yīng)幾乎不變。因此，在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面的剪力響應(yīng)處于最低水平；而墩底截面的剪力響應(yīng)則為最大值。

分析圖7可知，矢跨比的變化對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵截面的地震彎矩響應(yīng)影響也較小。當(dāng)矢跨比由1/4變化到1/7時(shí)，截面1的地震彎矩響應(yīng)略有增長；截面2的和截面3的地震彎矩響應(yīng)變化甚微。因此，在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面的彎矩響應(yīng)處于最低的水平。

(2) 橫向+豎向地震。在橫向+豎向地震作用下，對(duì)于E1和E2兩個(gè)地震水準(zhǔn)，矢跨比對(duì)于拱梁組合體系橋梁關(guān)鍵部位橫橋向地震響應(yīng)的影響基本一致，具體見圖8～圖10。由于左、右墩上分別設(shè)置的是橫向固定支座和橫向活動(dòng)支座，故兩個(gè)墩墩底截面地震內(nèi)力響應(yīng)的差異較大。

圖8 關(guān)鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(橫向+豎向地震)

分析圖8可知，矢跨比的變化對(duì)墩底截面的地震軸力響應(yīng)影響較小，但對(duì)拱腳截面和系梁最不利受力截面的影響較大。當(dāng)矢跨比由1/4變化到1/7時(shí)，截面1的地震軸力響應(yīng)先緩慢增長，隨后緩慢下降；截面2和截面3的地震軸力響應(yīng)都逐漸增長，但截面2的增幅更大。因此，在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面、墩底截面和系梁受力最不利截面的軸力響應(yīng)均處于最低水平。

圖9 關(guān)鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(橫向+豎向地震)

圖10 關(guān)鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(橫向+豎向地震)

分析圖9可知，矢跨比的變化對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵截面的地震剪力響應(yīng)影響比軸力小，系梁受力最不利截面的剪力響應(yīng)幾乎沒有變化。當(dāng)矢跨比由1/4變到1/7時(shí)，截面1和截面2的地震剪力響應(yīng)均出現(xiàn)小幅下降；而系截面3的地震剪力響應(yīng)幾乎不變。因此，在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面和墩底截面的剪力響應(yīng)均為最大值。

分析圖10可知，矢跨比的變化對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵截面的地震彎矩響應(yīng)影響也較小，拱腳截面和系梁受力最不利截面的剪力響應(yīng)變化甚微。當(dāng)矢跨比由1/4變化到1/7時(shí)，截面1和截面2的地震彎矩響應(yīng)略有下降；截面3的地震彎矩響應(yīng)變化很小。因此，在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面的彎矩響應(yīng)處于最高水平。

4 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)于類似算例橋梁這樣的梁拱組合體系橋梁，在縱向+豎向和橫向+豎向地震作用下，矢跨比對(duì)橋墩、主拱圈、系梁等關(guān)鍵構(gòu)件及其關(guān)鍵截面的軸力影響較大，但對(duì)剪力和彎矩影響較小。因此，在設(shè)計(jì)階段合理調(diào)整矢跨比，能夠有效改善梁拱組合體系橋梁的抗震性能，降低重要構(gòu)件的地震響應(yīng)，確保橋梁的地震安全性。

[1] 于淑蘭.梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)體系性能分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2003.

[2] 王洪超.連續(xù)梁拱組合體系橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)分析[J].巖土工程界，2006，9(4): 27～29.

[3] 滕麗平.梁拱組合體系橋受力性能研究 [D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2012.

[4] 易云焜.梁拱組合體系設(shè)計(jì)理論關(guān)鍵問題研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[5] 鞏 朝.拱梁組合體系橋梁的地震反應(yīng)分析[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2010.

[6] 司秀勇,潘慧敏,蔣再松，等.梁-拱組合體系橋自振特性分析及參數(shù)研究[J].鐵道建筑，2008(1):28～30.

[7] JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S]．

2016-11-02；修改日期：2016-12-01

倪建華(1969-)，男，安徽潛山人，安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師．

U442.55；U448.29

A

1673-5781(2016)06-0786-04