多跨連續(xù)梁拱組合體系橋梁的抗震分析

王汪陽(yáng)

摘 要：多跨梁橋和拱橋組合體系橋具有著梁橋和拱橋的雙重特點(diǎn)，對(duì)于橋梁受力來說，采用梁拱結(jié)合橋的結(jié)構(gòu)形式能夠很好的增加橋梁的跨越能力，對(duì)于橋梁受力是有利的。最常用的是三跨連續(xù)組合式梁拱橋，連續(xù)梁橋的受力結(jié)構(gòu)能夠有效抵抗拱橋所產(chǎn)生的橫向推力，這樣就大大增加橋梁的環(huán)境適應(yīng)能力。在我國(guó)目前研究中，跨徑在60 m～200 m跨徑的橋梁采用連續(xù)梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，本文主要針對(duì)梁拱組合橋梁體系在地震作用下所采用的有效減震措施，抗震已損壞的特點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究，通過地震作用研究的計(jì)算理論對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)提出建設(shè)性建議，為多跨連續(xù)梁拱組合橋的抗震設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多跨連續(xù)梁;拱橋;抗震分析

中圖分類號(hào)：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

多跨連續(xù)梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)形式是通過連續(xù)梁來支撐拱圈水平向推力的橋梁結(jié)構(gòu)形式，梁拱組合結(jié)構(gòu)梁橋在梁拱結(jié)合處采用剛接形式共同作用于支座上，連續(xù)梁縱梁起到拉桿的作用。該橋梁結(jié)構(gòu)支座位置產(chǎn)生豎向支座反力一致，拱橋所產(chǎn)生的水平向推力與梁的軸線保持一致，在橋梁重力和荷載作用下連續(xù)梁產(chǎn)生的水平推力與拱橋的拱腳產(chǎn)生的水平推力形成平衡條件，從而保證橋梁產(chǎn)生自平衡作用，這種結(jié)構(gòu)組合形式結(jié)構(gòu)內(nèi)力能夠很好的產(chǎn)生平衡，從而減小橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力，同時(shí)又能避免拱圈產(chǎn)生的水平向推力靠外部措施來平衡的不足。從外形來看多跨連續(xù)梁拱組合體系橋外觀線形比較優(yōu)美，極具城市美化效果，同時(shí)也是建筑景觀。因此對(duì)于梁拱組合體系橋梁進(jìn)行研究具有重要的意義。由于梁拱組合橋梁是屬于內(nèi)部自平衡作用體系，對(duì)于地震作用下橋梁的安全性考慮也是非常重要的，本文就根據(jù)梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)對(duì)橋梁抗震性能進(jìn)行分析，以便對(duì)梁拱組合橋梁未來發(fā)展提供些許建設(shè)性建議[1]。

1 梁拱組合橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 連續(xù)梁和梁拱組合梁受力特點(diǎn)

連續(xù)梁橋在受荷載力作用，梁體跨中彎矩會(huì)由于支座負(fù)彎矩的作用減小，所產(chǎn)生的彎矩受力和懸臂梁受力圖形變化不大，連續(xù)梁受到車輛荷載作用支點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩作用，能夠抵消部分跨中荷載作用產(chǎn)生的彎矩，這種受力結(jié)構(gòu)對(duì)梁體是有好處的。梁拱組合結(jié)構(gòu)形式在吊桿、拱肋、橫梁、橋面系共同作用形成一種結(jié)構(gòu)受力合理、外觀新穎、有很好觀賞價(jià)值的橋梁結(jié)構(gòu)形式。多跨連續(xù)梁拱組合體系橋的受力分析：根據(jù)結(jié)構(gòu)物材料的性能混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗壓性能，鋼材韌性好強(qiáng)度高但是易發(fā)生失穩(wěn)。梁拱組合橋梁能夠很好利用混凝土抗壓性能，通過鋼拱橋的拱腳水平壓力對(duì)混凝土受壓產(chǎn)生受力平衡[2]。梁拱組合梁橋中混凝土結(jié)構(gòu)的開裂對(duì)橋梁承載能力影響較大，混凝土開裂會(huì)加快梁體鋼筋的銹蝕。使得梁體結(jié)構(gòu)受力降低，這種病害情況的發(fā)生對(duì)于梁拱組合梁橋結(jié)構(gòu)是需要嚴(yán)格進(jìn)行控制的，因此在梁拱組合橋中逐漸控制橋梁負(fù)彎矩區(qū)域混凝土的開裂是控制的重點(diǎn)部位。

1.2 連續(xù)梁拱組合橋易損部位特點(diǎn)分析

在抗震分析過程中，連續(xù)梁拱組合橋梁受力體系相對(duì)較為復(fù)雜，在研究地震作用力的過程中通常會(huì)忽略梁體內(nèi)部受力相互作用，順橋向和橫橋向地震作用力對(duì)橋梁影響較大，在常用的設(shè)計(jì)計(jì)算地震對(duì)橋梁的影響時(shí)，常采用假設(shè)法進(jìn)行梁體受力分析，根據(jù)反應(yīng)譜地震影響分析方法確定橋梁的抗震性能，以便采取合適有效的措施保證梁體的抗震滿足安全性要求。梁拱結(jié)合箱梁橋在地震作用下橫橋向地震作用力主要由墩來承擔(dān)，因此在抗震設(shè)計(jì)中在橋墩位置會(huì)設(shè)置抗震裝置，一般情況下設(shè)置阻尼塊來抵抗地震振動(dòng)產(chǎn)生的破壞。順橋向的地震作用主要和橋梁自身重量有關(guān)，抗震薄弱位置是設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的因素，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載截面抵抗地震側(cè)向力的鋼筋需要進(jìn)行加強(qiáng)[3]。

2 梁拱組合體系地震作用下位移作用機(jī)理

梁拱連續(xù)組合結(jié)構(gòu)體系，支座在受剪力作用產(chǎn)生破壞時(shí)，梁體端部會(huì)產(chǎn)生較大的位移，通常經(jīng)過兩種方式來實(shí)現(xiàn)，一種是根據(jù)受力和位移作用使得支座產(chǎn)生剪切破壞周期加長(zhǎng)，另一種是通過橋梁位移和阻尼組合方式來增大橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼。常見的梁拱組合式橋梁采用阻尼裝置或增加橋梁的結(jié)構(gòu)剛度來增加抗震等級(jí)。

2.1 采用彈性部件抵抗地震作用

彈性抗震結(jié)構(gòu)主要是設(shè)置拉索、橡膠支座來增加橋梁彈性抗震性能，彈性的大型橡膠支座能夠有效的提高橋梁沖擊力產(chǎn)生的破壞，可以有效的延緩地震作用對(duì)橋梁的作用時(shí)間，對(duì)于地震作用、風(fēng)荷載、溫度變化、汽車自動(dòng)沖擊力等都可以通過彈性連接來實(shí)現(xiàn)受力延緩，以減少破壞作用。

2.2 采用阻尼器增加抗震能力

目前橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)于有效抵抗地震作用的裝置就是設(shè)置阻尼器，阻尼器能夠有效產(chǎn)生流體粘滯效應(yīng)，常用的較為成熟的阻尼器有摩擦類的阻尼裝置、鋼阻尼設(shè)備、鉛擠壓式阻尼設(shè)備。連續(xù)梁拱組合梁結(jié)構(gòu)最常用的阻尼裝置是摩擦式粘滯阻尼器，粘滯式流體阻尼器能夠有效抵抗地震產(chǎn)生的加速度表達(dá)式可表示為：（為阻尼力，是阻尼系數(shù)，是速度， 是指數(shù)）。采用流體式粘滯阻尼器具有更換支座方便，維修較為簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此，在地震作用下能夠允許地震加速度對(duì)支座造成剪切破壞以保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的完整。地震作用加速度和阻尼器表達(dá)式各參數(shù)相關(guān)聯(lián)系的，從橋梁抗震出發(fā)常用值取0.3～1。當(dāng)阻尼器所產(chǎn)生的抵抗力和地震產(chǎn)生的相對(duì)速度成比例時(shí)，稱為線性阻尼器。流體粘滯阻尼器在蠕變變形作用下產(chǎn)生的抗力接近于零[4]。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

本文選取工程為某市快速軌道工程中跨河橋，橋梁設(shè)計(jì)采用三跨連續(xù)梁拱組合橋，主跨徑橋梁采用105 m+200 m+105 m的跨徑組合結(jié)構(gòu)形式，橋梁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)80 m，拱腳與橋梁水平面夾角為46°，橋梁橫向?qū)挾葹?4 m，箱梁采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，箱梁高度4 m，中隔板厚1.5 m，腹板厚1.5 m。拱圈采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱肋采用N字形布置，吊桿采用直徑為90 cm的鋼管，下弦拱矢量高34 m，拱采用軸線方程為y=0.005 66x2，上弦拱矢量高39 m，拱軸線方程為y=0.006 06x2，拱肋填充C50膨脹混凝土。橋跨總體布置形式如圖1所示：

3.2 橋梁自振特性分析

根據(jù)上述橋梁的結(jié)構(gòu)形式對(duì)橋梁進(jìn)行建模分析，通過Midas模型模擬橋梁不均衡自振特性，以更好的反映地震作用下橋梁的受力變化，本文根據(jù)橋梁自振計(jì)算理論先用迭代法得到計(jì)算出高階振型和頻率，通過結(jié)合迭代和矢量空間計(jì)算原理（即矢量空間中n階規(guī)模縮小到目標(biāo)s階向量的研究方法），根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)空間迭代對(duì)于大型橋梁結(jié)構(gòu)的振型和頻率模擬的方法是有效方法之一。

3.3 地震反應(yīng)譜分析梁拱組合結(jié)構(gòu)

（1）反應(yīng)譜分析基本原理。反應(yīng)譜分析是基于單振子地震響應(yīng)，通過假定單振子的質(zhì)量、阻尼、剛度在地震作用下產(chǎn)生加速度，就是描述為地震作用。用相關(guān)公式可以表示為，式①： ①

上式中：m表示自由振子的質(zhì)量;表示自由振子的剛度;表示自由振子的阻尼;表示地震作用下地面加速度;表示相對(duì)位移;表示相對(duì)速度;表示絕對(duì)加速度。

（2）結(jié)合反應(yīng)譜進(jìn)行地震力計(jì)算。多自由度體系的各項(xiàng)反應(yīng)值是通過振型分解后產(chǎn)生各自的獨(dú)立震動(dòng)，然后再根據(jù)各個(gè)分解后振動(dòng)最大值進(jìn)行組合就得到了最大地震作用破壞值。本次選用表1的地震動(dòng)組合方式進(jìn)行參數(shù)分析。計(jì)算分析時(shí)忽略行波對(duì)地震作用波產(chǎn)生的影響。

本次選取上述工況組合中工況2進(jìn)行研究分析，得到隨著時(shí)間不斷的延長(zhǎng)地震作用下頻率數(shù)據(jù)變化曲線，如圖2所示：

根據(jù)上述地震作用反應(yīng)譜周期頻譜變化曲線可以看出在縱向（1.0）+橫向（1.0）+豎向（0.5）地震工況作用下，橋梁在受到地震作用會(huì)產(chǎn)生瞬間較大的破壞力，通過阻尼作用或彈性構(gòu)件可以有效減小頻譜的反應(yīng)時(shí)間，以更好的保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)不受地震作用破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)多跨連續(xù)梁拱組合體系橋梁的抗震進(jìn)行系統(tǒng)研究分析，通過整體認(rèn)識(shí)并了解梁拱組合橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)。首先根據(jù)地震作用力的特點(diǎn)，進(jìn)行分析作用于梁拱組合梁橋上對(duì)橋梁產(chǎn)生的破壞作用，并根據(jù)現(xiàn)階段最常用的彈性作用和阻尼作用來減小地震作用力對(duì)梁體產(chǎn)生的破壞。其次通過某軌道跨河梁拱組合梁橋的自振特性、地震作用組合形式進(jìn)行綜合介紹，通過反應(yīng)譜的基本原理選取縱向（1.0）+橫向（1.0）+豎向（0.5）地震工況對(duì)橋梁產(chǎn)生的影響，來說明阻尼和彈性體對(duì)于抗震設(shè)計(jì)中的重要作用，對(duì)于減小地震破壞基本原理更加清晰明了。為更好的研究地震作用下對(duì)橋梁的破壞提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊可.矮塔斜拉橋動(dòng)力特性及地震響應(yīng)分析[D].大連海事大學(xué)，2016.

[2]張煜敏.公路梁橋位移型抗震分災(zāi)系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[3]何晗欣.橋梁抗震與抗風(fēng)及其影響因素分析研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[4]劉立博.橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2009.