上承式箱型連拱橋振型特點及動力響應分析
2023-04-29 00:00:00黃賢智陳藝
西部交通科技 2023年9期
基金項目：廣西壯族自治區(qū)港航發(fā)展中心“西江航運干線貴港至梧州3000噸級航道工程建設指揮部技術服務項目”（編號：GWHD-ZX-2021-02）
作者簡介：黃賢智（1986—），碩士，副教授，研究方向：橋梁結構安全評估。
摘要：文章結合梧州8孔連續(xù)上承式鋼筋混凝土箱型拱橋實例，建立橋梁空間有限元模型，用多重Ritz向量法分析其拱圈振型特點，并采用反應譜法分析該拱橋的動力響應。計算表明：上承式鋼筋混凝土箱型連拱橋全橋主導振型為面內(nèi)豎彎，橫向剛度強；連拱作用弱化了橋梁整體剛度，以縱向動力響應為主，減小了橫向動力作用下拱橋的軸力、彎矩和剪力；拱頂、拱腳、拱圈和立柱結合處是上承式箱型拱橋抗震控制點。
關鍵詞：箱型連拱橋；動力特性；反應譜法
中圖分類號：U448.22+3
0 引言
上承式鋼筋混凝土箱型連拱橋具有造型優(yōu)美、剛度大、造價較低、跨越能力較大等特點，在我國特別是西南地區(qū)（重慶，四川、廣西、云南、貴州等地）的深溝峽谷和大江大河中應用廣泛。此類橋梁一般由挖空率較大的預制板箱型截面以及在箱型拱上設置的立柱和橫梁支撐的行車道板組成。該橋型具有的優(yōu)點如下：（1）箱型較板結構抗彎和抗扭剛度強，鋼筋可以較好承受拉應力，充分發(fā)揮建筑材料的作用，增加跨越能力；（2）橋型構造簡單，剛度大、材料省、承載能力大，抗震性能好；（3）受力明確，造型輕盈、美觀、簡潔。多孔拱橋在外荷載作用下，拱墩結點會產(chǎn)生彈性變形水平位移（Δ1、Δ2、…）和轉角（θ1、θ2、…），考慮各拱墩結點一起的共同變形作用，稱為“連拱效應”［1］。
何廣寶［2］從拱橋方案設計、模型建立、結構安全性驗算和橋梁施工要點等方面對單孔鋼筋混凝土箱型拱橋進行結構安全性研究。魯志俊［3］分析了單孔大跨度箱型拱橋在反應譜分析下的結構響應規(guī)律。黃海珊等［4］研究了被撞單孔鋼筋混凝土箱型拱橋損傷后的受力性能和穩(wěn)定性，并給出損傷后的橋梁通行限制車輛數(shù)。馬宇坤等［5］建立明代三孔實腹式石拱橋永昌橋的模型，并對其動力特性及其抗震性能進行了分析。由此可見，針對箱型連拱橋的動力響應分析較少，在一些如航道水下炸礁、隧道爆破開挖作業(yè)等情況下，分析此類拱橋的動力特性具有重要意義。本文通過現(xiàn)場實測信號和有限元計算對箱型連拱橋的振型及動力響應進行分析，為該類橋型的抗震加固維修提供依據(jù)。
1 工程概況
梧州市西江大橋為鋼筋混凝土箱型拱橋，孔徑組合為65 m+5×93 m+2×65 m。邊孔凈跨徑為65 m，矢跨比為1/7，拱軸系數(shù)m=1.988，主拱圈由12片拱箱組成，拱箱高為1.4 m；主孔凈跨徑為93 m，矢跨比為1/8，拱軸系數(shù)m=2.514，主拱圈由12片拱箱組成，拱箱高為1.7 m。西江大橋全長732.7 m。橋梁跨徑布置圖如圖1、圖2所示。
2 建立空間模型
采用Midas Civil軟件對全橋進行建模分析，橋梁計算采用的材料參數(shù)和結構尺寸根據(jù)前期現(xiàn)場檢查和檢測資料及部分現(xiàn)存的設計資料確定。根據(jù)橋梁的結構特點，對箱型拱、立柱、蓋梁及橋面系的空心板、人行道板等均采用空間梁桿單元模擬。主拱圈采用40號混凝土；立柱、蓋梁、空心板等采用30號混凝土。以第4孔作為連拱和單孔固定拱作為比對案例建立全橋模型1（圖3）和單孔模型2（圖4），主要約束條件為片拱間聯(lián)系采用近似鉸接，連拱橋模型1墩底固結，固定拱模型2墩拱節(jié)點固結。
3 結構振型特點分析
橋梁結構的振型特點是橋梁動力響應分析的基礎，箱型拱橋的振型與基頻和它的跨徑、結構型式、工程材料、約束等因素有關。本文采用多重Ritz向量法，并保證橋梁結構各向振型參與質(zhì)量達90%以上，計算模型1和模型2的動力特性，前10階振型頻率、特征及前2階模態(tài)見圖5和表1。如圖5所示，西江大橋實測第1階段主頻為1.95 Hz，介于連拱和固定拱之間，說明理論模型較為準確。
從上承式箱型拱橋的前10階振型及自振頻率可知，該大跨度上承式鋼筋混凝土箱型連拱橋的振型比較復雜，主要具有以下特點：
（1）由表1可知第1階振型周期近1.5 s，說明進行此類橋梁動力響應分析時應選用短周期成分。
（2）上承式鋼筋混凝土箱型連拱橋的主導振型為豎向翹曲。
（3）前5階自振頻率分布密集，且均為面內(nèi)振型，表明全橋面外剛度較大。
（4）對比模型1和模型2的振型和頻率可知，連拱作用弱化了橋梁的整體剛度。
4 動力響應分析
為分析上承式鋼筋混凝土箱型連拱橋的動力響應，在此采用多振型反應譜分析法進行計算，其原理是把結構多自由度系統(tǒng)轉化為廣義單自由度系統(tǒng)的復合體，組合并分析預先通過數(shù)值積分求出的任意周期范圍對應的最大反應值，即先求出每個振型對應的最大反應值，然后用適當?shù)慕M合方法，預測結構最大反應值。本案例橋梁場地土類型為Ⅱ類場地，地震基本烈度為6度，按7度設防，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比ξ=0.05，設計加速度反應譜最大值Smax=0.053 75 g。考慮連拱橋結構的復雜性，模態(tài)組合采用CQC法，順橋向和橫橋向反應譜作用效應分別為Ex、Ey，按Ex∶Ey=1∶1輸入。以第4孔為例分別求得模型1和模型2的主要承重結構主拱圈反應譜作用下的內(nèi)力值結果，見下頁圖6和表2。
從反應譜分析結果可知，上承式鋼筋混凝土箱型拱橋輸入相同加速度下，考慮連拱效應時，縱向位移響應差值為2.207 mm，遠大于橫向位移差值0.793 mm；主拱圈結構內(nèi)力值在順橋向反應譜下連拱響應均大于固定拱響應，而橫橋向反應譜下連拱響應均小于固定拱響應。橫橋向反應譜作用下，從圖7（a）、（b）可知，主拱圈最大軸力在拱頂處，連拱最大軸力148.0 kN與固定拱最大軸力193.3 kN相差較大；由圖7（c）、（f）可知，主拱圈的豎
向最大彎矩，連拱橋在拱腳處，固定拱在拱頂附近立柱處，而豎向最大剪力均在拱頂附近立柱處，連拱最大彎矩和剪力差值＜5%，相差較小。豎向彎矩、剪力值沿拱軸線在拱腳、拱頂及拱圈和立柱結合處數(shù)值出現(xiàn)較大跳躍。
綜上，上承式鋼筋混凝土箱型連拱橋在水平地震動作用下，除軸力外縱向地震動對橋梁影響較橫向震動大。連拱能減小橫橋向震動下拱圈軸力、彎矩、剪力。由拱圈內(nèi)力圖可知，拱頂、拱腳、拱圈和立柱結合處是上承式箱型拱橋抗震薄弱部位。
5 結語
綜上所述，上承式鋼筋混凝土箱型連拱橋的動力特性有如下特點：
（1）從橋梁振型特點可知，大跨度上承式鋼筋混凝土箱型連拱橋橫向剛度較大，主導振型為面內(nèi)豎彎，地震反應分析時應選用短周期成分。因橋墩的影響，連拱作用弱化了拱橋的整體剛度，故連拱橋在抗震方面選擇推力墩尤為重要。
（2）除拱圈軸力外，縱橋向動力作用效應明顯大于橫橋向，應重點考察拱橋的縱向動力響應。設計中應加強拱箱的頂?shù)装搴穸龋岣呓Y構縱向延塑性。
（3）連拱效應能減小橫橋向動力作用下主拱圈的軸力、彎矩、剪力，同條件下，橫向相比固定拱抗震性能好。
（4）拱頂、拱腳、拱圈和立柱結合處是上承式箱型拱橋抗震薄弱部位。
參考文獻
［1］王國鼎.拱橋連拱計算（第三版）［M］.北京：人民交通出版社，2009.
［2］何廣寶.普通鋼筋混凝土箱型拱橋結構驗算與評定分析［J］.山東交通科技，2017（3）：53-55，62.
［3］魯志俊.大跨度箱型拱橋地震響應反應譜分析［J］.工程技術研究，2018（7）：7-9.
［4］黃海珊，林本虎，梁高榮.船撞鋼筋混凝土箱型拱橋受力性能及穩(wěn)定性研究［J］.科技創(chuàng)新與應用，2022，12（33）：63-66.
［5］馬宇坤，淳 慶.明代石拱橋永昌橋的動力特性及其抗震性能分析［J］.華僑大學學報（自然科學版），2022，44（3）：336-345.
收稿日期：2023-04-16
