巴溪洲景觀聯(lián)絡(luò)橋抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 康

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,湖北 武漢 430063)

0 引 言

梁拱組合橋兼顧了拱橋和梁橋的受力特點(diǎn)，其造型優(yōu)美，受力合理，大大提升了橋梁的跨越能力，被廣泛用于各種跨河工程之中。隨著橋梁跨徑的增大，橋梁的橫向穩(wěn)定的問題越來越突出，可以通過提籃拱的形式使得橋梁的橫向穩(wěn)定性得到提高[2]，但對(duì)于寬跨比特別小的橋梁，在地震橫波的作用下，其橫向穩(wěn)定問題更為突出，本文主要以巴溪洲景觀聯(lián)絡(luò)橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)該橋在抗震方面做一些優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 計(jì)算模型

路線設(shè)計(jì)起點(diǎn)位于長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)瀟湘大道西線與巴溪大道交匯路口，設(shè)計(jì)終點(diǎn)接于巴溪洲上規(guī)劃道路環(huán)島銜接點(diǎn)，路線全長(zhǎng)523.5 m，其中本工程實(shí)施范圍為橋梁范圍(橋長(zhǎng)345.5 m)，橋面寬度9.5 m。布置為：1.5 m(人行道)+6.5 m(車行道)+1.5 m(人行道)。主橋孔跨布置為(50+180+50)=280 m；本橋主跨上拱肋結(jié)構(gòu)為全焊提籃式鋼箱拱，鋼拱肋拱軸線立面采用懸鏈線，拱軸系數(shù)為1.8，跨徑142 m，矢高24.894 m，拱肋截面內(nèi)傾角為8°。拱肋鋼材材質(zhì)為Q345qC。該橋計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

1.2 地震參數(shù)

根據(jù)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局2001年2月2日發(fā)布的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2001)，本路段地震動(dòng)峰值加速度為0．05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s,相對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土類型為中軟土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，屬于抗震不利地段，場(chǎng)地地基穩(wěn)定性一般。設(shè)計(jì)抗震要求：設(shè)計(jì)地震基本烈度為6度，地震基本加速度值為0.05g。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)規(guī)范，結(jié)合該橋的抗震要求，設(shè)計(jì)地震波數(shù)據(jù)圖，如圖2所示。

圖2 反應(yīng)譜函數(shù)

反應(yīng)譜荷載工況分為2種：橫向+豎向地震波、縱向+豎向地震波。研究在地震波作用下橋梁的振動(dòng)荷載響應(yīng)情況。

2 自振特性分析

自振特性分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，它反映了橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座和質(zhì)量分布以及阻尼特性，對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有很大影響。本模型計(jì)算中，取前10階自振頻率，見表1。

表1 橋梁自振特性

考慮橋梁的橫向穩(wěn)定性，需研究橋梁的橫向振動(dòng)，著重研究該橋的2階、4階、8階橋梁自振頻率，振型圖如圖3～圖5所示。

圖3 2階振型圖

圖4 4階振型圖

圖5 8階振型圖

考慮橋梁的縱向穩(wěn)定性，需研究橋梁的縱向振動(dòng)，著重研究該橋的1階、3階、6階橋梁自振頻率，振型圖如圖6～圖8所示。

圖6 1階振型

圖7 3階振型

圖8 6階振型

3 拱內(nèi)傾角改變差異性分析

3.1 拱內(nèi)傾角改變對(duì)橫向振型頻率分析

該橋梁初步設(shè)計(jì)為8°內(nèi)傾角，進(jìn)行對(duì)比時(shí)，以1°為變化單位，分別建立5°到9°共5種模型，研究?jī)A角變化對(duì)該橋梁自振特性的影響以及地震荷載的響應(yīng)情況,其中著重研究2階、4階、8階頻率，如圖9～圖11所示。

圖9 2階頻率

圖10 4階頻率

圖11 8階頻率

由此可見，當(dāng)提籃拱內(nèi)傾角增大，橫向自振頻率逐漸增大，提籃拱的橫向穩(wěn)定性逐步提高，尤其是低階頻率表現(xiàn)得更加明顯，當(dāng)傾角由5°增長(zhǎng)到9°時(shí)，2階自振頻率增大33.3%，4階頻率增大18.2%，高階頻率變化不明顯，但也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，8階增大1.2%。

3.2 拱內(nèi)傾角改變對(duì)縱向振型頻率分析

在改變拱內(nèi)傾角時(shí)，既要考慮橫向面外剛度的提升，也要考慮拱的面內(nèi)穩(wěn)定性的改變。這里研究1階、3階和6階自振情況，1階和6階是拱內(nèi)和橋面面內(nèi)反對(duì)稱振動(dòng)，3階是拱內(nèi)和橋面面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)。依次計(jì)算拱內(nèi)傾角的改變對(duì)拱橋面內(nèi)穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 1階頻率

圖13 3階頻率

圖14 6階頻率

由計(jì)算數(shù)據(jù)可得，拱內(nèi)傾角的改變，對(duì)縱向的穩(wěn)定性的影響變化在0.5%之內(nèi)，基本保持不變，橋梁的縱向剛度與傾角關(guān)系不大。

3.2 靜力荷載響應(yīng)

靜力荷載主要考慮橋梁自重和吊桿拉力作用，研究?jī)A角的改變、提籃鋼拱壓應(yīng)力的變化情況，鋼拱壓應(yīng)力的變化反映了鋼拱承載能力的改變，壓應(yīng)力越小，截面不變的情況下，鋼拱的承載能力越大。鋼拱在靜力荷載的作用下，壓應(yīng)力分布如圖15所示。

圖15 鋼拱應(yīng)力分布圖

隨著傾角的改變，鋼拱的最大壓應(yīng)力變化如圖16所示，橫坐標(biāo)表示為內(nèi)傾角(°)，縱坐標(biāo)為壓應(yīng)力(MPa)。

圖16 壓應(yīng)力傾角關(guān)系圖

可見，傾角的增大，拱的壓應(yīng)力略微降低，從5°增大到9°，壓應(yīng)力降低了4.09%，拱的承載能力得到了提升。

3.4 地震荷載響應(yīng)

用振型疊加法進(jìn)行地震時(shí)程分析的方法，時(shí)程荷載工況分為2種：橫向+豎向地震波，縱向+豎向地震波。地震與水平地面加速度的角度為0。地震荷載對(duì)橋梁產(chǎn)生的應(yīng)力整體分布如圖17、圖18所示。

圖17 橫向+豎向地震波

圖18 縱向+豎向地震波

以地震荷載對(duì)鋼拱肋產(chǎn)生的應(yīng)力和位移為研究對(duì)象，隨著傾角的改變，橫向地震波對(duì)橋梁橫向剛度的影響如圖19所示，縱向地震波對(duì)橋梁縱向剛度的影響如圖20所示。

圖19 橫波應(yīng)力曲線

圖20 縱波應(yīng)力曲線

在橫向地震波的作用下，鋼拱肋的最大壓應(yīng)力由11.58 MPa增大到了14.06 MPa，增大了21.4%。傾角的增大，拱的橫向剛度增大，橫波作用產(chǎn)生的地震荷載增大。

在縱向地震波的作用下，鋼拱肋的最大壓應(yīng)力由8.866 MPa略微減小到8.374 MPa，減小5.5%。傾角的增大，拱的縱向剛度基本不變，縱波作用產(chǎn)生的應(yīng)力基本不變。

4 優(yōu)化方案

由靜力荷載分析和地震荷載分析可知，在鋼拱和混凝土拱的結(jié)合段，由于混凝土拱剛度遠(yuǎn)大于鋼拱，應(yīng)力在結(jié)合處較為集中，這對(duì)鋼拱的受力不利，尤其是在橫向地震波的影響下，鋼拱起拱處應(yīng)力較大，為削弱這種不利影響，需對(duì)原設(shè)計(jì)模型(圖21)進(jìn)行優(yōu)化。

圖21 原設(shè)計(jì)模型

通過以上的計(jì)算分析，提籃拱的內(nèi)傾角增大，橫向剛度增大，拱的承載能力也略微增大，優(yōu)化措施如下：①將原設(shè)計(jì)方案為內(nèi)傾角8°，修改為9°;②對(duì)風(fēng)撐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由原來的“一”字形風(fēng)撐，改為“X”形風(fēng)撐；③為消除混凝土拱和鋼拱結(jié)合處剛度突變的問題，將鋼拱起拱處與“X”形風(fēng)撐連接段的鋼拱灌注混凝土，形成鋼箱混凝土組合截面；④在“X”形風(fēng)撐處設(shè)置短橫梁，形成抗震吸能裝置，可有效地降低地震荷載對(duì)鋼拱的沖擊破壞。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)模型如圖22所示。

圖22 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)模型

措施①②的設(shè)計(jì)，使得提籃拱后的設(shè)計(jì)產(chǎn)生的橫向振型頻率變化情況，見表2。

表2 自振頻率對(duì)比

措施③的設(shè)計(jì)，使得拱的剛度較為平穩(wěn)地過渡，拱的靜力荷載在灌注段由鋼拱+混凝土共同承擔(dān)，整個(gè)鋼拱最大應(yīng)力幅值由84 MPa降低至79 MPa。

地震沖擊荷載下，對(duì)比圖17和圖18，采取措施③鋼拱的應(yīng)力更加均勻，最大應(yīng)力的幅值基本不變，地震荷載作用下，應(yīng)力分布情況，如圖23、圖24所示。

圖23 橫向+豎向地震波

圖24 縱向+豎向地震波

措施④具體構(gòu)造如圖25所示。

圖25 減震風(fēng)撐設(shè)計(jì)圖

措施④的減震設(shè)計(jì)中，在“X”形風(fēng)撐與主拱連接處設(shè)置短橫梁，讓地震的最大沖擊應(yīng)力15.5 MPa出現(xiàn)在短橫梁處，形成整個(gè)橋梁的“薄弱”環(huán)節(jié)，優(yōu)先在強(qiáng)震下塑性變形，吸收振動(dòng)的能量，破壞維護(hù)成本低，便于震后修復(fù)，保護(hù)了主拱肋的安全。

5 結(jié) 論

本文通過實(shí)際項(xiàng)目，對(duì)小寬跨比的提籃拱橋進(jìn)行了抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了內(nèi)傾角和風(fēng)撐對(duì)全橋橫向剛度的影響，對(duì)鋼混結(jié)合段剛度突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)提籃拱內(nèi)傾角的增大，全橋橫向振型頻率增大，橫向剛度增大，縱向剛度受到傾角的影響很小。

(2)“X”形風(fēng)撐相比“一”字形風(fēng)撐，橫向振型頻率增大，較大的內(nèi)傾角有利于增加拱橋橫向剛度。

(3)對(duì)鋼混結(jié)合段的剛度突變，可局部灌注混凝土至風(fēng)撐位置，有效地實(shí)現(xiàn)剛度的順利過渡，整個(gè)鋼拱的受力更加均勻合理，也有利于鋼拱的穩(wěn)定。

(4)對(duì)不良地質(zhì)的橋梁，可以在橫撐處設(shè)置抗震吸能裝置，吸能裝置的彈性和塑性應(yīng)變將吸收大量的地震能量，其震后維修成本低。