不同形式拱桥地震响应及抗震性能分析

不同形式拱桥地震响应及抗震性能分析

中、下承式结构拱肋面施工中、下承拱桥具有突出的美学效果。随着城市景观桥梁的发展，其结构形式也发生了变化和变化，出现了篮拱、斜靠拱、蝴蝶拱等新技术拱桥。然而，这些新型拱桥的结构压力复杂，空间效应显著，桥梁的横向刚性较弱。在地震的作用下，容易对拱的横向振动造成损坏。同时，这些桥梁的类型没有得到强震的测试，对其抗疲劳防滑能力的了解也不深入。因此，对中、下承拱桥的地震响应分析，研究其抗疲劳动性能具有重要的现实意义和实用价值。文中以下承式平行拱桥,下承式提篮拱桥和中、下承式斜靠式拱桥为研究对象,根据其结构特点,采用有限元程序Midas/civil分别建立3种桥型的空间有限元计算模型,计算其在ElCentro波、Taft波地震波作用下的地震时程响应,对比分析其抗震性能,所得结论为深入了解中、下承式拱桥的地震反应特性,进行合理抗震设计提供技术参考。1有限元模型建立某下承式提篮拱桥,跨径120m,桥跨21.32m,矢高28m,矢跨比1/4.286,主拱为普通钢筋混凝土箱型截面,拱肋宽1.3m,高3.7m,两拱肋向桥内侧倾斜10°,拱间设置6道工字型截面横撑,系杆梁为预应力混凝土箱型截面,高2.7m,宽1.6m,两系杆间距18m;吊杆间距7m,共16对,桥面设有端横梁、中横梁、小纵梁,桥面板与纵横梁采用刚性连接,该桥总体布置图见图1。某中、下承式斜靠式拱桥,跨径120m,矢高27m,矢跨比1/4.444,拱肋由2片主拱分别内倾1°和2片稳定拱外倾8.0075°组成,主拱拱肋采用钢筋混凝土箱型截面,宽1.5m,高2.7m,稳定拱跨径92m,截面宽1.2m,高2.7m,主拱与稳定拱之间采用横向联系连接,两主拱之间无横撑,主拱吊杆28对,稳定拱吊杆18对,桥面系由纵横梁与桥面板刚性连接组成,该桥总体布置图如图2所示。为对比分析平行式拱桥的地震反应特性,在提篮拱桥的基础上将内倾的拱肋扶正得平行式拱桥,即除拱肋倾角外,其它方面均与提篮拱桥相同。运用有限元程序Midas/civil分别建立3种桥型的有限元计算模型,根据桥梁的结构特点,对拱肋及桥面系的端横梁、中横梁、系杆梁、小纵梁、主拱肋与稳定拱肋之间的联系梁,均采用空间梁单元模拟,吊杆采用只受拉的桁架单元进行模拟,桥面板采用板单元模拟,桥梁的计算边界处理为:分别对4个拱脚进行约束,以外侧拱脚为基准,分别沿桥梁纵向与横向采取一端铰接,一端滑动支座处理。桥梁计算采用的材料常数根据规范确定。桥梁场地土类型为Ⅱ类场地,地震基本烈度为6度,按7度设防,在进行桥梁地震时程响应计算时,依据规范规定,应采用多条地震波进行计算分析,文中选用2条天然地震波ElCentro、Taft波,取地震波的东西向、南北向两条波中峰值大者,沿结构的纵、横向方向分别输入3种不同的桥型,地震时程响应计算时间均为20s,分析时间步长取0.02s,各条地震波峰值加速度峰值均调幅为0.15g(g为重力加速度),桥梁的阻尼比取为0.05。2拱肋最大位移、内力沿桥跨的分布图通过计算得到3种拱桥拱肋各个截面的最大位移和内力,并绘制出拱肋最大位移、内力沿桥跨的分布图,限于篇幅文中仅给出斜靠式拱桥在纵横向地震波输入下,主拱最大位移、内力沿桥跨的分布图,如图3所示。2.1拱脚段横向位移由于ElCentro波的作用效应较大且与Taft波作用下的最大位移分布较为相似,故仅将3种拱桥在ElCentro波沿桥梁纵横向输入下的最大位移数值及发生的位置列于表1。由表1数据可以看出,在纵向地震作用下,3种拱桥的竖向位移最大,横向位移最小,纵向位移居中,但3个方向的位移总体数值较小;3种桥型的最大竖向、纵向位移分布规律相似,见图3(a)、(c),均为从拱脚处逐渐增加,在L/4和3L/4处达到最大位移,在跨中位移有一定程度的减小,这是由于该处设置了横撑或横向联系,使跨中刚度增大从而变形减小;斜靠式拱桥的横向位移较平行拱桥和提篮拱桥大,最大值发生在跨中,主要原因是由于斜靠式拱桥主拱间未设置横撑,仅靠稳定拱来约束其横向变形,其约束作用较平行拱与提篮拱间的横撑要小。在横向地震作用下,3种拱桥以横向变形为主,最大横向变形沿桥跨分布趋势均为由拱肋端部向跨中逐渐增大,在跨中位置达到最大,且位移数值较大,其它两个方向的变形较小,如图3(a)、(b)、(c)所示,这是由于拱肋面外刚度较小,而横向地震作用是面外荷载,在面外荷载作用下拱肋跨中横向位移较大,符合物理概念。对比3种桥型的横向位移,以平行拱肋最大,提篮拱次之,斜靠式拱桥最小,可知斜靠式拱桥稳定拱的设置、提篮拱桥主拱肋的内倾对有效提高桥梁横向刚度、减小拱肋横向变形有显著作用。同时ElCentro波的作用效应较Taft波的作用效应大。2.2稳定拱最大内力由图3(d)～(h)可以看出:纵向地震动输入时,平行拱桥与提篮拱桥拱肋在支座拱脚位置处各项内力最大,斜靠式拱桥拱肋除竖向剪力最大值发生在距左拱脚大约75m的横向联系处,其余内力最大值也发生在拱脚位置,且3种拱桥内力均表现为竖向剪力远大于横向剪力,面内弯矩远大于面外弯矩。提篮拱桥各内力最大值均小于平行式拱桥,斜靠式拱桥主拱各项内力最大值要大于前2种桥型。横向地震动输入时,3种拱桥拱肋各项内力最大值沿桥跨分布基本关于跨中对称,各项内力均大于纵向地震作用下的地震响应,且横向剪力和面外弯矩最大值较纵向地震输入时显著增大甚至成为控制内力;平行拱与提篮拱拱肋除横向剪力外其余内力均在左支座拱脚位置达到最大,而横向剪力峰值则在L/3左右横撑位置处;斜靠式拱桥除横向剪力与面内弯矩在L/3横向联系处达到内力最大外,其余内力均是在左拱脚位置内力最大;斜靠式拱桥的稳定拱最大内力沿桥跨分布趋势与主拱近似,横向地震作用下的内力最大值均较主拱略小。由3座拱桥的最大内力分布图可知,由于中、下承式拱桥设置横撑了和横向联系,致使结构在该处的横向刚度发生变化,从而内力最大值分布也出现显著变化;提篮拱桥除轴力外,其余内力最大值均小于平行拱桥,且内力峰值分布也较平行拱桥均匀,斜靠式拱桥主拱轴力最大,其余内力最大值介于提篮拱桥与平行拱桥之间。在纵向地震作用下ElCentro波与Taft波的作用效应较为接近,但在横向地震作用下,ElCentro波作用下的关键位置截面的内力与位移明显大于Taft波的作用效应,其中平行式拱桥最为明显,提篮拱桥次之,斜靠式拱桥最小,可见选取地震波时,地震波的频谱特性要尽可能与场地的卓越周期等场地条件尽量相同,工程中通常选用多条地震波做分析,以便相互比较作出判断。由上述分析可知,无论纵向地震作用还是横向地震作用,3种拱桥内力最大值主要集中在2个位置,分别为拱脚位置和横撑或横向联系处,这些位置应作为桥梁抗震设计的控制截面,所得结论与文献相似,现将控制截面在ElCentro波下的最大应力汇总列于表2。通过应力计算得出3种拱桥在地震作用下的应力最大值可为拉应力或压应力,但与恒载组合后的应力全部为压应力;在拱脚位置,以斜靠式拱桥在横向地震作用下主拱拱脚处的应力与恒载叠加后的压应力最大为18.9×103kPa,平行式拱桥在横向地震作用下,横撑处的压应力最大为19.9×103kPa,以上二者虽然均小于规范限制,说明桥梁在地震时不会因强度不足发生破坏,抗震性能得到保证,但从表中数据可以看出,平行式拱桥和斜靠式拱桥的安全储备并不充足,所以在桥梁设计施工中,可采取一定的构造措施以加强局部联系和结构延塑性,保证其在地震作用下结构的安全可靠。3结构截面的变化(1)3种拱桥在横向地震作用下的地震响应明显大于纵向地震作用下的地震响应,故横向地震作用起控制作用,应着重考察拱桥的横向抗震性能。(2)3种拱桥在纵向地震动输入下,内力最大值主要集中拱脚位置,在横向地震动输入时,最大轴力、竖向剪力、面外弯矩发生在拱脚处,而最大横向剪力与面内弯矩易发生在横撑或横向联系处,故拱脚位置和横撑或横向联系处应作为桥梁抗震设计的控制截面。3种桥型的控制截面最大应力小于规范限制,桥梁抗震性能得到保证,但平行式拱桥和斜靠式拱桥安全储备不充足,可采取一定的构造措施以加强局部联系和结构延塑性,保证其在地震作用下的安