梁拱組合協(xié)作體系的地震分析

梁田

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

梁拱組合協(xié)作體系的地震分析

梁田

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

梁拱組合協(xié)作體系為連續(xù)結(jié)構(gòu)和裝飾拱共同組成的結(jié)構(gòu)。連續(xù)結(jié)構(gòu)和拱肋都各自有著自己的下部結(jié)構(gòu)，但兩者又通過吊桿相互聯(lián)系，相互協(xié)作。現(xiàn)對此種結(jié)構(gòu)作一模態(tài)分析，得到前六項結(jié)構(gòu)周期。同時分析在地震作用下的拱肋應力、變形、基礎受力及連續(xù)結(jié)構(gòu)中橋墩的地震水平力，并與僅建立連續(xù)結(jié)構(gòu)的單梁模型進行比較，從而對今后的梁拱組合協(xié)作體系的地震分析有一定的參考借鑒意義。

梁拱組合協(xié)作；單梁模型；地震效應；拱肋

1 概述

根據(jù)編制方案的單位提供的最終效果圖及圖紙，某大跨度梁拱組合協(xié)作體系總長520 m，其中車行橋跨徑布置為（4×40）+（60+80+60）+（4×40）=520（m）。中央（60+80+60）m采用變高度預應力連續(xù)梁，中支點梁高4.8m，跨中和邊支點梁高2.3m；兩側(cè)4×40 m采用等高度預應力連續(xù)梁，梁高2.3 m；車行橋標準段全寬20.5 m，其中功能寬度18.5 m，兩側(cè)各1 m為吊索區(qū)，跨海段車行橋總面積10 660m2。拱肋跨徑組合（79+80+200+80+79）m，沿主拱中心對稱。主拱邊拱均采用提籃拱的結(jié)構(gòu)形式，由拱腳至拱頂向內(nèi)側(cè)傾斜，拱軸線與水平面夾角呈76.7°，拱腳水平距離35.0 m主橋外側(cè)的裝飾連拱跨徑布置為：（80+80+200+80+80=520）m，200 m中跨拱高約64.7 m（見圖1）。

2 結(jié)構(gòu)計算模型

為更好地研究梁拱組合協(xié)作在地震效應下的力學特性，用M ID AS建立動力分析模型。在動力分析模型中，采用空間三維梁單元模擬主梁、橋墩和承臺，對一片主梁進行建模；考慮樁土相互作用，群樁基礎采用6×6的彈簧（一般彈性支承）來模擬其剛度；在模態(tài)分析和線性分析中，采用彈性連接模擬球鋼支座連接，約束方向與實際橋梁的約束方向相同，支座在模態(tài)分析和線性分析有限元模型中采用彈性連接模擬，連續(xù)梁采用單梁模擬混凝土箱梁，橫向2個球鋼支座（見圖2）。

同時，去掉拱肋和吊桿部分，建立單梁模型（見圖3），僅計算單梁的地震效應，兩者進行比較。

3 模態(tài)分析

按上述梁拱組合協(xié)作體系的計算模型，采用M ID AS對該橋進行模態(tài)分析，得到前6階自振頻率及相應振型計算結(jié)果，見表1所列及圖4、圖5所示。

從以上的模態(tài)分析結(jié)果可以看出：

（1）從第一階，第二階振型圖中可以看出，基本只有縱梁在發(fā)生縱向振動時，且組合協(xié)作體系的前兩階周期完全相同。而中跨發(fā)生主要縱向振動時，組合協(xié)作體系的周期比單梁體系小0.74%，基本屬于誤差范圍內(nèi)，因此可以認為單梁和組合協(xié)作體系的縱向振動的基頻和變形基本一致。

（2）在組合協(xié)作體系中，第三階、第五階就出現(xiàn)了拱肋的橫向振動，而此時主梁并未發(fā)生橫向振動，這說明拱肋的橫向剛度遠遠小于主梁的橫向剛度。

（3）比較主梁橫向振動時的頻率，組合協(xié)作體系的主梁橫向變形時頻率為0.684 s，單梁橫向變形時頻率為0.738s。橫向變形相同，組合協(xié)作體系的頻率為單梁的93%，略微不同。

4 地震效應分析

該項目查特征周期T g=0.4 s，橋址處的地震動峰值加速度為0.1 g（基本烈度7度）（按照《城市橋梁抗震設計規(guī)范（C JJ166-2011）》、《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（G B18306-2001）》及《建筑抗震設計規(guī)范（G B50011-2010）》中某市的相關規(guī)定確定），主橋抗震設防類別為丁類，引橋抗震設防類別為丁類。

圖1 梁拱組合協(xié)作體系立面布置圖

圖2 梁拱組合協(xié)作體系計算模型

圖3 單梁計算模型

表1 橋梁模態(tài)分析一覽表

圖4 梁拱組合協(xié)作體系模態(tài)分析圖

圖5 單梁模型模態(tài)分析圖

按照《城市橋梁抗震設計規(guī)范（C JJ166-2011）》第3.3.2條，該橋的抗震設計方法為B類。因此，對該橋進行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗算，取第5.2.1條的反應譜曲線對該橋作反應譜分析（見圖6）。

圖6 反應譜

4.1 拱肋基礎地震效應

用M ID AS C i v i l對該橋作E1縱向和橫向地震分析，主拱肋和副拱肋處的基礎受力如表2所列。

表2 拱腳基礎地震效應一覽表

從表2可知，拱腳基礎的地震效應較小，樁基均能滿足地基要求和強度要求。

4.2 拱肋位移及內(nèi)力地震效應

取主拱肋的跨中、L/4和支點處斷面的內(nèi)力和位移值，如表3、表4所列。

表3 拱肋各斷面處縱向地震效應一覽表

表4 拱肋各斷面處橫向地震效應一覽表

由表3、表4可得，拱肋處各斷面的地震效應較小，截面應力基本沒有太大變化，拱肋位移均能滿足正常使用需要。

4.3 主梁處橋墩地震效應

從M ID AS提取主梁下固定墩墩底的地震效應，現(xiàn)均以中跨中間墩為研究對象，如表5、表6所列。

表5 主梁固定墩縱向地震效應一覽表

由表5、表6的地震分析比較可以得出：

（1）組合協(xié)作體系中拱肋的變形和應力在地震作用下影響較小。

（2）在組合協(xié)作體系與單梁計算的比較中，可以看到：在縱向地震效應中，組合協(xié)作體系的墩底水平力僅比單梁計算的多3%；在橫向地震效應中，組合協(xié)作體系的墩底水平力僅比單梁計算的少2%，產(chǎn)生的效應差值均在5%以內(nèi)，滿足精度要求。

表6 主梁橋墩橫向地震效應一覽表

（3）拱肋的地震效應很小，這主要是由于拱肋較輕，自身產(chǎn)生的地震力較小。同時拱肋和主梁僅通過吊桿連接，兩者為相互獨立的系統(tǒng),相互影響較小。

5 結(jié)論

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）該橋為梁拱組合協(xié)作體系，兩者的地震效應相互獨立，不產(chǎn)生共同作用。

（2）梁拱組合協(xié)作體系和單梁模型中的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)基頻、周期幾乎相等，模態(tài)形式也完全相同，從上可以看出兩者建模中連續(xù)梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果相同。

（3）梁拱組合協(xié)作體系中，拱肋的應力、變形和基礎受力相對于使用階段來說都非常小。因此該類橋型可不對拱肋進行地震分析。

（4）在梁拱組合協(xié)作體系和單梁模型中，連續(xù)結(jié)構(gòu)的橋墩水平地震力相差均在5%以內(nèi)，可認為建立單梁模型來確認該類橋型的地震效應是合理的。

（5）在梁拱組合協(xié)作體系和單梁模型中，連續(xù)結(jié)構(gòu)的橋墩水平地震力相差均在5%以內(nèi)，可認為建立單梁模型來確認該類橋型的地震效應是合理的。

深茂鐵路茂名段沖刺階段江門至茂名段明年6月通車

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U448.2

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1009-7716（2017）06-0129-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.037

2017-02-22

梁田（1984-），女，浙江紹興人，碩士，工程師，從事橋梁工程設計研究工作。