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        梁拱組合橋地震響應(yīng)對矢跨比的敏感性研究

        2016-06-05 14:58:24倪建華
        工程與建設(shè) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:梁拱系梁算例

        倪建華

        (安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 合肥 230011)

        梁拱組合橋地震響應(yīng)對矢跨比的敏感性研究

        倪建華

        (安徽省交通勘察設(shè)計(jì)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(guān)鍵截面的地震響應(yīng)具有重要影響,且影響程度具有顯著差異。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中可以通過設(shè)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(yīng),確保橋梁的地震安全性。

        橋梁抗震;梁拱組合橋;地震響應(yīng);矢跨比

        梁拱組合體系橋梁結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜,矢跨比、梁拱剛度比等重要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)對于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律及其震害機(jī)理的重要影響仍需要進(jìn)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(yīng)對矢跨比的敏感性,為該類橋梁設(shè)計(jì)提供參考,顯著提高橋梁抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(shè)間距為4.0 m的吊桿17根。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用實(shí)體式墩身下設(shè)承臺接8根樁基礎(chǔ),橋臺采用蓋梁接2根樁基礎(chǔ),樁基礎(chǔ)直徑均為2.2 m,按摩擦樁設(shè)計(jì)。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(jìn)行全橋的地震響應(yīng)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(xiàn)[7],獲得算例橋梁在E1和E2兩個水準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)水平加速度反應(yīng)譜,并生成匹配兩個地震水準(zhǔn)的人工加速度時(shí)程波各3條,規(guī)范設(shè)計(jì)譜及其與人工波反應(yīng)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(zhǔn)下反應(yīng)譜對比圖

        圖4 E2地震水準(zhǔn)下反應(yīng)譜對比圖

        3 地震響應(yīng)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(diǎn),選取地震響應(yīng)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(zhǔn),矢跨比對于拱梁組合體系橋梁關(guān)鍵部位縱橋向地震響應(yīng)的影響基本一致,具體見圖5~圖7所示。

        圖5 關(guān)鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(縱向+豎向地震)

        圖6 關(guān)鍵截面剪力隨矢跨比的變化圖(縱向+豎向地震)

        圖7 關(guān)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(yīng)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(dāng)矢跨比由1/4變化到1/7時(shí),截面2的地震軸力響應(yīng)逐漸增大;而截面3的地震軸力響應(yīng)則逐漸下降;截面1的地震軸力響應(yīng)也略有上升。因此,在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下,拱腳截面和墩底截面的軸力響應(yīng)處于最低水平;而系梁受力最不利截面的軸力響應(yīng)則為最大值。

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

        分析圖7可知,矢跨比的變化對幾個關(guān)鍵截面的地震彎矩響應(yīng)影響也較小。當(dāng)矢跨比由1/4變化到1/7時(shí),截面1的地震彎矩響應(yīng)略有增長;截面2的和截面3的地震彎矩響應(yīng)變化甚微。因此,在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下,拱腳截面的彎矩響應(yīng)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(zhǔn),矢跨比對于拱梁組合體系橋梁關(guān)鍵部位橫橋向地震響應(yīng)的影響基本一致,具體見圖8~圖10。由于左、右墩上分別設(shè)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(yīng)的差異較大。

        圖8 關(guān)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(yīng)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(dāng)矢跨比由1/4變化到1/7時(shí),截面1的地震軸力響應(yīng)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(yīng)都逐漸增長,但截面2的增幅更大。因此,在設(shè)計(jì)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(yīng)均處于最低水平。

        圖9 關(guān)鍵截面軸力隨矢跨比的變化圖(橫向+豎向地震)

        圖10 關(guān)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(guān)鍵截面的地震剪力響應(yīng)影響比軸力小,系梁受力最不利截面的剪力響應(yīng)幾乎沒有變化。當(dāng)矢跨比由1/4變到1/7時(shí),截面1和截面2的地震剪力響應(yīng)均出現(xiàn)小幅下降;而系截面3的地震剪力響應(yīng)幾乎不變。因此,在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下,拱腳截面和墩底截面的剪力響應(yīng)均為最大值。

        分析圖10可知,矢跨比的變化對幾個關(guān)鍵截面的地震彎矩響應(yīng)影響也較小,拱腳截面和系梁受力最不利截面的剪力響應(yīng)變化甚微。當(dāng)矢跨比由1/4變化到1/7時(shí),截面1和截面2的地震彎矩響應(yīng)略有下降;截面3的地震彎矩響應(yīng)變化很小。因此,在設(shè)計(jì)矢跨比為1/4的情況下,拱腳截面的彎矩響應(yīng)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(guān)鍵構(gòu)件及其關(guān)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(shè)計(jì)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(yīng),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(xué),2003.

        [2] 王洪超.連續(xù)梁拱組合體系橋梁設(shè)計(jì)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(xué),2012.

        [4] 易云焜.梁拱組合體系設(shè)計(jì)理論關(guān)鍵問題研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

        [5] 鞏 朝.拱梁組合體系橋梁的地震反應(yīng)分析[D].長沙:長沙理工大學(xué),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(shè)計(jì)細(xì)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(shè)計(jì)院有限公司高級工程師.

        U442.55;U448.29

        A

        1673-5781(2016)06-0786-04

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