不同形式拱橋地震響應及抗震性能分析

不同形式拱橋地震響應及抗震性能分析

中、下承式結構拱肋面施工中、下承拱橋具有突出的美學效果。隨著城市景觀橋梁的發(fā)展，其結構形式也發(fā)生了變化和變化，出現(xiàn)了籃拱、斜靠拱、蝴蝶拱等新技術拱橋。然而，這些新型拱橋的結構壓力復雜，空間效應顯著，橋梁的橫向剛性較弱。在地震的作用下，容易對拱的橫向振動造成損壞。同時，這些橋梁的類型沒有得到強震的測試，對其抗疲勞防滑能力的了解也不深入。因此，對中、下承拱橋的地震響應分析，研究其抗疲勞動性能具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。文中以下承式平行拱橋,下承式提籃拱橋和中、下承式斜靠式拱橋為研究對象,根據(jù)其結構特點,采用有限元程序Midas/civil分別建立3種橋型的空間有限元計算模型,計算其在ElCentro波、Taft波地震波作用下的地震時程響應,對比分析其抗震性能,所得結論為深入了解中、下承式拱橋的地震反應特性,進行合理抗震設計提供技術參考。1有限元模型建立某下承式提籃拱橋,跨徑120m,橋跨21.32m,矢高28m,矢跨比1/4.286,主拱為普通鋼筋混凝土箱型截面,拱肋寬1.3m,高3.7m,兩拱肋向橋內(nèi)側傾斜10°,拱間設置6道工字型截面橫撐,系桿梁為預應力混凝土箱型截面,高2.7m,寬1.6m,兩系桿間距18m;吊桿間距7m,共16對,橋面設有端橫梁、中橫梁、小縱梁,橋面板與縱橫梁采用剛性連接,該橋總體布置圖見圖1。某中、下承式斜靠式拱橋,跨徑120m,矢高27m,矢跨比1/4.444,拱肋由2片主拱分別內(nèi)傾1°和2片穩(wěn)定拱外傾8.0075°組成,主拱拱肋采用鋼筋混凝土箱型截面,寬1.5m,高2.7m,穩(wěn)定拱跨徑92m,截面寬1.2m,高2.7m,主拱與穩(wěn)定拱之間采用橫向聯(lián)系連接,兩主拱之間無橫撐,主拱吊桿28對,穩(wěn)定拱吊桿18對,橋面系由縱橫梁與橋面板剛性連接組成,該橋總體布置圖如圖2所示。為對比分析平行式拱橋的地震反應特性,在提籃拱橋的基礎上將內(nèi)傾的拱肋扶正得平行式拱橋,即除拱肋傾角外,其它方面均與提籃拱橋相同。運用有限元程序Midas/civil分別建立3種橋型的有限元計算模型,根據(jù)橋梁的結構特點,對拱肋及橋面系的端橫梁、中橫梁、系桿梁、小縱梁、主拱肋與穩(wěn)定拱肋之間的聯(lián)系梁,均采用空間梁單元模擬,吊桿采用只受拉的桁架單元進行模擬,橋面板采用板單元模擬,橋梁的計算邊界處理為:分別對4個拱腳進行約束,以外側拱腳為基準,分別沿橋梁縱向與橫向采取一端鉸接,一端滑動支座處理。橋梁計算采用的材料常數(shù)根據(jù)規(guī)范確定。橋梁場地土類型為Ⅱ類場地,地震基本烈度為6度,按7度設防,在進行橋梁地震時程響應計算時,依據(jù)規(guī)范規(guī)定,應采用多條地震波進行計算分析,文中選用2條天然地震波ElCentro、Taft波,取地震波的東西向、南北向兩條波中峰值大者,沿結構的縱、橫向方向分別輸入3種不同的橋型,地震時程響應計算時間均為20s,分析時間步長取0.02s,各條地震波峰值加速度峰值均調(diào)幅為0.15g(g為重力加速度),橋梁的阻尼比取為0.05。2拱肋最大位移、內(nèi)力沿橋跨的分布圖通過計算得到3種拱橋拱肋各個截面的最大位移和內(nèi)力,并繪制出拱肋最大位移、內(nèi)力沿橋跨的分布圖,限于篇幅文中僅給出斜靠式拱橋在縱橫向地震波輸入下,主拱最大位移、內(nèi)力沿橋跨的分布圖,如圖3所示。2.1拱腳段橫向位移由于ElCentro波的作用效應較大且與Taft波作用下的最大位移分布較為相似,故僅將3種拱橋在ElCentro波沿橋梁縱橫向輸入下的最大位移數(shù)值及發(fā)生的位置列于表1。由表1數(shù)據(jù)可以看出,在縱向地震作用下,3種拱橋的豎向位移最大,橫向位移最小,縱向位移居中,但3個方向的位移總體數(shù)值較小;3種橋型的最大豎向、縱向位移分布規(guī)律相似,見圖3(a)、(c),均為從拱腳處逐漸增加,在L/4和3L/4處達到最大位移,在跨中位移有一定程度的減小,這是由于該處設置了橫撐或橫向聯(lián)系,使跨中剛度增大從而變形減小;斜靠式拱橋的橫向位移較平行拱橋和提籃拱橋大,最大值發(fā)生在跨中,主要原因是由于斜靠式拱橋主拱間未設置橫撐,僅靠穩(wěn)定拱來約束其橫向變形,其約束作用較平行拱與提籃拱間的橫撐要小。在橫向地震作用下,3種拱橋以橫向變形為主,最大橫向變形沿橋跨分布趨勢均為由拱肋端部向跨中逐漸增大,在跨中位置達到最大,且位移數(shù)值較大,其它兩個方向的變形較小,如圖3(a)、(b)、(c)所示,這是由于拱肋面外剛度較小,而橫向地震作用是面外荷載,在面外荷載作用下拱肋跨中橫向位移較大,符合物理概念。對比3種橋型的橫向位移,以平行拱肋最大,提籃拱次之,斜靠式拱橋最小,可知斜靠式拱橋穩(wěn)定拱的設置、提籃拱橋主拱肋的內(nèi)傾對有效提高橋梁橫向剛度、減小拱肋橫向變形有顯著作用。同時ElCentro波的作用效應較Taft波的作用效應大。2.2穩(wěn)定拱最大內(nèi)力由圖3(d)～(h)可以看出:縱向地震動輸入時,平行拱橋與提籃拱橋拱肋在支座拱腳位置處各項內(nèi)力最大,斜靠式拱橋拱肋除豎向剪力最大值發(fā)生在距左拱腳大約75m的橫向聯(lián)系處,其余內(nèi)力最大值也發(fā)生在拱腳位置,且3種拱橋內(nèi)力均表現(xiàn)為豎向剪力遠大于橫向剪力,面內(nèi)彎矩遠大于面外彎矩。提籃拱橋各內(nèi)力最大值均小于平行式拱橋,斜靠式拱橋主拱各項內(nèi)力最大值要大于前2種橋型。橫向地震動輸入時,3種拱橋拱肋各項內(nèi)力最大值沿橋跨分布基本關于跨中對稱,各項內(nèi)力均大于縱向地震作用下的地震響應,且橫向剪力和面外彎矩最大值較縱向地震輸入時顯著增大甚至成為控制內(nèi)力;平行拱與提籃拱拱肋除橫向剪力外其余內(nèi)力均在左支座拱腳位置達到最大,而橫向剪力峰值則在L/3左右橫撐位置處;斜靠式拱橋除橫向剪力與面內(nèi)彎矩在L/3橫向聯(lián)系處達到內(nèi)力最大外,其余內(nèi)力均是在左拱腳位置內(nèi)力最大;斜靠式拱橋的穩(wěn)定拱最大內(nèi)力沿橋跨分布趨勢與主拱近似,橫向地震作用下的內(nèi)力最大值均較主拱略小。由3座拱橋的最大內(nèi)力分布圖可知,由于中、下承式拱橋設置橫撐了和橫向聯(lián)系,致使結構在該處的橫向剛度發(fā)生變化,從而內(nèi)力最大值分布也出現(xiàn)顯著變化;提籃拱橋除軸力外,其余內(nèi)力最大值均小于平行拱橋,且內(nèi)力峰值分布也較平行拱橋均勻,斜靠式拱橋主拱軸力最大,其余內(nèi)力最大值介于提籃拱橋與平行拱橋之間。在縱向地震作用下ElCentro波與Taft波的作用效應較為接近,但在橫向地震作用下,ElCentro波作用下的關鍵位置截面的內(nèi)力與位移明顯大于Taft波的作用效應,其中平行式拱橋最為明顯,提籃拱橋次之,斜靠式拱橋最小,可見選取地震波時,地震波的頻譜特性要盡可能與場地的卓越周期等場地條件盡量相同,工程中通常選用多條地震波做分析,以便相互比較作出判斷。由上述分析可知,無論縱向地震作用還是橫向地震作用,3種拱橋內(nèi)力最大值主要集中在2個位置,分別為拱腳位置和橫撐或橫向聯(lián)系處,這些位置應作為橋梁抗震設計的控制截面,所得結論與文獻相似,現(xiàn)將控制截面在ElCentro波下的最大應力匯總列于表2。通過應力計算得出3種拱橋在地震作用下的應力最大值可為拉應力或壓應力,但與恒載組合后的應力全部為壓應力;在拱腳位置,以斜靠式拱橋在橫向地震作用下主拱拱腳處的應力與恒載疊加后的壓應力最大為18.9×103kPa,平行式拱橋在橫向地震作用下,橫撐處的壓應力最大為19.9×103kPa,以上二者雖然均小于規(guī)范限制,說明橋梁在地震時不會因強度不足發(fā)生破壞,抗震性能得到保證,但從表中數(shù)據(jù)可以看出,平行式拱橋和斜靠式拱橋的安全儲備并不充足,所以在橋梁設計施工中,可采取一定的構造措施以加強局部聯(lián)系和結構延塑性,保證其在地震作用下結構的安全可靠。3結構截面的變化(1)3種拱橋在橫向地震作用下的地震響應明顯大于縱向地震作用下的地震響應,故橫向地震作用起控制作用,應著重考察拱橋的橫向抗震性能。(2)3種拱橋在縱向地震動輸入下,內(nèi)力最大值主要集中拱腳位置,在橫向地震動輸入時,最大軸力、豎向剪力、面外彎矩發(fā)生在拱腳處,而最大橫向剪力與面內(nèi)彎矩易發(fā)生在橫撐或橫向聯(lián)系處,故拱腳位置和橫撐或橫向聯(lián)系處應作為橋梁抗震設計的控制截面。3種橋型的控制截面最大應力小于規(guī)范限制,橋梁抗震性能得到保證,但平行式拱橋和斜靠式拱橋安全儲備不充足,可采取一定的構造措施以加強局部聯(lián)系和結構延塑性,保證其在地震作用下的安