橋面設縫對中承式三跨連拱橋動力性能影響分析

李文龍

(上海市林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,上海 200437)

中承式拱橋橋面系根據位置不同,可分為上承部分和下承部分。上下承交接處即為拱肋與橋面系相交處,通常橋面系在此處設有伸縮縫[1]。該種常規做法使得橋面系結構較為分散,橋面系整體性能不突出。另外,橋面系伸縮縫較容易損壞,實際使用過程中車輛行車舒適性一般。伸縮縫處損壞后帶來的橋面系高差還可能導致車輪荷載沖擊效應明顯,對結構整體性能及局部構件的疲勞性能均有不利影響。橋面系設縫位置不同對橋梁結構的影響程度并未從動力性能方面對比得到較優解。

1 工程概況

江布拉克大橋主橋采用中承式鋼混疊合梁系桿鋼拱橋體系,主橋跨徑為30m+120m+160m+120m+30m=460m。

圖1 江布拉克大橋主橋立面布置圖(單位：mm)

拱肋采用鋼箱結構,主拱肋內傾形成提籃拱。通過調整拱肋矢跨比,平衡拱肋間恒載水平推力。160m跨徑拱肋平面內拱軸線采用二次拋物線,立面矢高52m；120m跨徑拱肋平面內拱軸線采用二次拋物線,立面矢高33m。拱肋主體采用鋼結構,拱腳部分采用混凝土結構。拱肋橫橋向由兩榀拱肋組成。拱肋截面采用鋼箱形斷面,160m跨徑拱肋高度從拱頂3.2米漸變至拱軸線拱腳處4.5米；120m跨徑拱肋高度從拱頂2.5米漸變至拱軸線拱腳處3.5米。

主橋橋面系采用鋼-混凝土疊合梁,設置縱橫梁上鋪混凝土橋面板。道路中心線處梁高2.2m,橋面全寬35m。吊桿區域橋面系設置了兩道縱梁,非吊桿區域設置了三道縱梁。橫梁全橋均勻布置,吊桿區域橫梁間距為5m,非吊桿區域部分橫梁間距為4m。

2 計算與分析

在江布拉克大橋的設計過程中,對于橋面系設縫位置進行了對比設計。設計中對橋面系在拱梁處設縫(工況一)、拱梁處不設縫,在主橋兩端設縫(工況二)兩種情況進行了設計計算分析。通過對比計算結果,比較兩種模式下結構動力性能的不同和優劣。

結構分析采用Midas Civil 2017有限元軟件,采用梁單元模擬拱肋、橋面系縱橫梁；桁架單元模擬吊桿；板單元模擬橋面板。為保證輸入一致,除伸縮縫設置不同及相應的構件設計不同外,其余均相同。圖2為有限元分析模型。

圖2 有限元分析模型

2.1 自振特性

橋址處地震反應譜特性如下圖所示。根據有限元計算結論,對比工況一(拱梁處設縫)和工況二(拱梁處不設縫)的自振特性如下表所示。

表1 自振振型對比

工況一:拱梁處設縫工況二:拱梁處不設縫振型描述振型描述第四階振型右邊跨橋面系一階橫飄橋面系二階橫飄第五階振型左邊跨橋面系一階縱飄邊拱肋一階扭轉第六階振型右邊跨橋面系一階縱飄邊拱肋一階橫飄第七階振型主跨橋面系一階扭轉主拱肋一階豎彎第八階振型主拱肋一階豎彎主拱肋一階橫向彎曲

表2 自振周期對比

表1顯示,工況一(拱梁處設縫)橋面系較為零散,整體性較差；表2顯示工況一(拱梁處設縫)前幾階振型周期均小于工況二(拱梁處不設縫),且振型參與質量較低。質量參與度底說明部分質量仍在更高階但周期更短的振型中,結構地震效應將會較大。工況二(拱梁處不設縫)橋面系整體性較強,前幾階振型參與質量較高,能較為明顯避開反應譜中周期較短的區域。

2.2 構件內力

結合以上分析,對兩種工況下關鍵斷面在E2作用下的內力如下表所示。

表3 E2作用下拱肋內力比較

表3清晰反映兩種工況下拱肋內力情況,工況二(拱梁處不設縫)拱肋關鍵截面內力較之工況一(拱梁處設縫)有明顯的降低,說明工況二設置下結構受力較優,在地震作用較為強烈的區域,工況二的設置較為合理。

3 結論

針對中承式拱橋橋面系設縫位置進行了動力性能方面的對比分析,結果顯示,橋面系較少設縫,能有效拉長結構自振周期,降低結構地震反應,結構受力較優。在合適情況下,中承式拱橋可考慮橋面系較少設置伸縮縫,提高橋面系整體性,提升結構動力性能[2,3]。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京：人民交通出版社,2007．

[2]戴利民.沈陽市渾河動漫橋主橋設計[A].中國土木工程學會橋梁及結構工程分會、上海市城鄉建設和交通委員會.第十九屆全國橋梁學術會議論文集(上冊)[C].中國土木工程學會橋梁及結構工程分會、上海市城鄉建設和交通委員會,2010∶6．

[3]余淑芳,袁海云.中承拱橋肋板式連續行車道系實踐[J].江西建材,2009(2)：109-110．