倪建華

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011)

梁拱組合橋地震響應對矢跨比的敏感性研究

倪建華

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011)

在地震作用下，梁拱組合體系橋梁的矢跨比對于橋梁不同關鍵截面的地震響應具有重要影響，且影響程度具有顯著差異。在橋梁抗震設計中可以通過設置合理的矢跨比，有效改善梁拱組合體系橋梁的抗震性能，降低重要構(gòu)件的地震響應，確保橋梁的地震安全性。

橋梁抗震；梁拱組合橋；地震響應；矢跨比

梁拱組合體系橋梁結(jié)構(gòu)體系較為復雜，矢跨比、梁拱剛度比等重要設計參數(shù)均有可能對結(jié)構(gòu)的靜力和動力性能產(chǎn)生顯著影響[1-4]。目前，國內(nèi)外對于梁拱組合體系橋梁的抗震研究較少，各重要設計參數(shù)對于結(jié)構(gòu)地震響應規(guī)律及其震害機理的重要影響仍需要進一步研究[5-6]。因此，本文將主要研究梁拱組合橋梁地震響應對矢跨比的敏感性，為該類橋梁設計提供參考，顯著提高橋梁抗震設計的有效性和合理性。

1 算例工程

本文選擇了一座梁拱組合體系橋梁作為算例工程，該橋上部結(jié)構(gòu)采用(30 m+80 m+30 m)的梁拱組合體系，主跨采用剛性系桿剛性拱，計算跨徑L=80 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/4，矢高為20.0 m，拱肋采用等截面矩形截面，每片拱片設間距為4.0 m的吊桿17根。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用實體式墩身下設承臺接8根樁基礎，橋臺采用蓋梁接2根樁基礎，樁基礎直徑均為2.2 m，按摩擦樁設計。算例橋梁的立面布置圖具體見圖1所示。

圖1 算例橋梁立面布置圖

本文采用通用有限元分析軟件SAP2000建立了算例橋梁的抗震有限元模型，并進行全橋的地震響應分析，抗震有限元模型見圖2所示。

圖2 算例橋梁抗震有限元模型

2 地震動輸入

根據(jù)文獻[7]，獲得算例橋梁在E1和E2兩個水準下的設計水平加速度反應譜，并生成匹配兩個地震水準的人工加速度時程波各3條，規(guī)范設計譜及其與人工波反應譜之間的對比見圖3和圖4所示。地震動輸入分別采用縱向+豎向和橫向+豎向兩種方式，豎向地震取為水平地震的0.5倍。

圖3 E1地震水準下反應譜對比圖

圖4 E2地震水準下反應譜對比圖

3 地震響應分析

矢跨比是影響拱圈受力的主要因素之一，對于梁拱組合體系橋梁而言，拱軸線大都采用拋物線，矢跨比大致在1/7～1/4。算例橋梁的矢跨比為1/4，為了探討矢跨比對橋梁抗震性能的影響，在構(gòu)件尺寸、材料等保持不變的情況下，把該橋的矢跨比分別調(diào)整為1/5、1/6、1/7。

針對算例橋梁的結(jié)構(gòu)和抗震特點，選取地震響應最不利的部位及截面主要包括墩柱的墩底截面(即截面1，分左右墩，截面1-左、截面1-右)、主拱圈的拱腳截面(即截面2，分左右，截面2-左、截面2-右)、系梁與飛燕連接處的突變截面(即截面3，分左右，截面3-左、截面3-右)等處。

(1) 縱向+豎向地震。在縱向+豎向地震作用下，對于E1和E2兩個地震水準，矢跨比對于拱梁組合體系橋梁關鍵部位縱橋向地震響應的影響基本一致，具體見圖5～圖7所示。

圖5 關鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(縱向+豎向地震)

圖6 關鍵截面剪力隨矢跨比的變化圖(縱向+豎向地震)

圖7 關鍵截面彎矩隨矢跨比的變化圖(縱向+豎向地震)

分析圖5可知，矢跨比的變化對墩底截面(即截面1)的地震軸力響應影響較小，但對拱腳截面(即截面2)和系梁最不利受力截面(即截面3)的影響較大。當矢跨比由1/4變化到1/7時，截面2的地震軸力響應逐漸增大；而截面3的地震軸力響應則逐漸下降；截面1的地震軸力響應也略有上升。因此，在設計矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面和墩底截面的軸力響應處于最低水平；而系梁受力最不利截面的軸力響應則為最大值。

分析圖6可知，矢跨比的變化對幾個關鍵截面的地震剪力響應影響比軸力小，系梁受力最不利截面的剪力響應幾乎沒有變化。當矢跨比由1/4變到1/7時，截面1的地震剪力響應略有增長；截面2的地震剪力響應略有下降；而截面3的地震剪力響應幾乎不變。因此，在設計矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面的剪力響應處于最低水平；而墩底截面的剪力響應則為最大值。

分析圖7可知，矢跨比的變化對幾個關鍵截面的地震彎矩響應影響也較小。當矢跨比由1/4變化到1/7時，截面1的地震彎矩響應略有增長；截面2的和截面3的地震彎矩響應變化甚微。因此，在設計矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面的彎矩響應處于最低的水平。

(2) 橫向+豎向地震。在橫向+豎向地震作用下，對于E1和E2兩個地震水準，矢跨比對于拱梁組合體系橋梁關鍵部位橫橋向地震響應的影響基本一致，具體見圖8～圖10。由于左、右墩上分別設置的是橫向固定支座和橫向活動支座，故兩個墩墩底截面地震內(nèi)力響應的差異較大。

圖8 關鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(橫向+豎向地震)

分析圖8可知，矢跨比的變化對墩底截面的地震軸力響應影響較小，但對拱腳截面和系梁最不利受力截面的影響較大。當矢跨比由1/4變化到1/7時，截面1的地震軸力響應先緩慢增長，隨后緩慢下降；截面2和截面3的地震軸力響應都逐漸增長，但截面2的增幅更大。因此，在設計矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面、墩底截面和系梁受力最不利截面的軸力響應均處于最低水平。

圖9 關鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(橫向+豎向地震)

圖10 關鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(橫向+豎向地震)

分析圖9可知，矢跨比的變化對幾個關鍵截面的地震剪力響應影響比軸力小，系梁受力最不利截面的剪力響應幾乎沒有變化。當矢跨比由1/4變到1/7時，截面1和截面2的地震剪力響應均出現(xiàn)小幅下降；而系截面3的地震剪力響應幾乎不變。因此，在設計矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面和墩底截面的剪力響應均為最大值。

分析圖10可知，矢跨比的變化對幾個關鍵截面的地震彎矩響應影響也較小，拱腳截面和系梁受力最不利截面的剪力響應變化甚微。當矢跨比由1/4變化到1/7時，截面1和截面2的地震彎矩響應略有下降；截面3的地震彎矩響應變化很小。因此，在設計矢跨比為1/4的情況下，拱腳截面的彎矩響應處于最高水平。

4 結(jié)束語

綜上所述，對于類似算例橋梁這樣的梁拱組合體系橋梁，在縱向+豎向和橫向+豎向地震作用下，矢跨比對橋墩、主拱圈、系梁等關鍵構(gòu)件及其關鍵截面的軸力影響較大，但對剪力和彎矩影響較小。因此，在設計階段合理調(diào)整矢跨比，能夠有效改善梁拱組合體系橋梁的抗震性能，降低重要構(gòu)件的地震響應，確保橋梁的地震安全性。

[1] 于淑蘭.梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)體系性能分析[D].大連：大連理工大學，2003.

[2] 王洪超.連續(xù)梁拱組合體系橋梁設計參數(shù)分析[J].巖土工程界，2006，9(4): 27～29.

[3] 滕麗平.梁拱組合體系橋受力性能研究 [D].長沙：中南林業(yè)科技大學，2012.

[4] 易云焜.梁拱組合體系設計理論關鍵問題研究[D].上海：同濟大學，2007.

[5] 鞏 朝.拱梁組合體系橋梁的地震反應分析[D].長沙：長沙理工大學，2010.

[6] 司秀勇,潘慧敏,蔣再松，等.梁-拱組合體系橋自振特性分析及參數(shù)研究[J].鐵道建筑，2008(1):28～30.

[7] JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則[S]．

2016-11-02；修改日期：2016-12-01

倪建華(1969-)，男，安徽潛山人，安徽省交通勘察設計院有限公司高級工程師．

U442.55；U448.29

A

1673-5781(2016)06-0786-04