易正紅 張謝東* 徐 洋

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司2) 武漢 430056)

0 引 言

鋼管混凝土拱橋充分利用鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)越的力學(xué)性能，同時(shí)也便于施工.到目前為止，國(guó)內(nèi)已建成的鋼管混凝拱橋已超過(guò)400座[1-2].針對(duì)鋼管混凝土拱橋抗震性能，學(xué)者們已有眾多研究[3-6]，但都基于成橋狀態(tài)的橋梁，而對(duì)施工階段橋梁抗震性能的研究較少.喬美麗等[7]基于大跨度剛構(gòu)橋施工期間地震發(fā)生概率，考慮橋梁所在區(qū)域地震活動(dòng)頻率和剛構(gòu)橋的施工特點(diǎn)，得出了橋梁施工期間發(fā)生不同等級(jí)地震風(fēng)險(xiǎn)的概率.李寅磊[8]利用反應(yīng)譜和時(shí)程分析方法對(duì)大跨度懸索橋索塔最大懸臂、索塔施工完成和主纜架設(shè)完成三個(gè)施工階段的地震響應(yīng)進(jìn)行了研究，研究得出加勁梁的架設(shè)有助于提高索塔抗震性能.鄭玉國(guó)等[9]對(duì)三座典型的連續(xù)梁橋施工全過(guò)程進(jìn)行了非線性時(shí)程分析，結(jié)果表明：施工階段推進(jìn)對(duì)連續(xù)梁橋地震響應(yīng)變化規(guī)律影響較小，對(duì)地震響應(yīng)的力學(xué)數(shù)值影響較大.周文等[10]采用時(shí)程分析對(duì)不同地震組合下鋼桁架拱橋施工階段的地震響應(yīng)進(jìn)行了分析，研究表明：扣塔是地震作用下的危險(xiǎn)構(gòu)件，拱橋合龍后能部分提高拱橋結(jié)構(gòu)的抗震性能.

現(xiàn)代橋梁建設(shè)規(guī)模不斷增大，大跨徑鋼管混凝土拱橋施工周期往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，在地震頻發(fā)區(qū)，在長(zhǎng)期施工過(guò)程中遭遇地震的可能性極大.文中以四川某高速大跨徑鋼管混凝土拱橋?yàn)橐劳?，?duì)各個(gè)施工階段地震響應(yīng)進(jìn)行了研究分析.

1 工程概況及有限元模型

1.1 工程概況

四川某高速上承式鋼管混凝土拱橋，橋梁全長(zhǎng)489.5 m，凈跨300 m，凈矢高75 m，矢跨比1/4.0，拱橋兩端通過(guò)引橋與隧道相連.拱上對(duì)稱設(shè)置鋼管混凝土豎向立柱，主橋和引橋上部結(jié)構(gòu)均為多跨主梁簡(jiǎn)支，主梁為鋼箱梁.橋面為雙邊箱組合梁橋，左右分線設(shè)置.鋼管混凝土拱橋橋型布置圖見(jiàn)圖1，主橋有13跨，每跨為25 m，立柱和交界墩通過(guò)蓋梁與主梁連接，其中A和A’為空心箱形混凝土交界墩，B～G和B’～G’是主管為鋼管混凝土的拱上立柱.

圖1 鋼管混凝土拱橋橋型布置圖

根據(jù)JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，該鋼管混凝土拱橋抗震設(shè)防類(lèi)別為A類(lèi)，震設(shè)防烈度為VIII度，抗震設(shè)防加速度為0.2g，抗震設(shè)防等級(jí)為四級(jí)，場(chǎng)地類(lèi)型為I0.

1.2 施工階段的劃分

施工階段從吊裝拱肋第一段開(kāi)始，到橋梁整體成橋結(jié)束.考慮到鋼管混凝土拱橋?qū)嶋H修筑過(guò)程與研究合理性，將橋梁施工階段劃分見(jiàn)表1.

表1 鋼管混凝土拱橋施工階段劃分

1.3 施工階段模型

鋼管混凝土拱橋根據(jù)實(shí)際施工情況劃分為12個(gè)施工階段，每個(gè)施工階段考慮最不利受力狀態(tài)，建立各個(gè)施工階段模型，見(jiàn)圖2.

2 反應(yīng)譜分析

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，該鋼管混凝土拱橋所在區(qū)域分區(qū)特征周期為0.45 s，根據(jù)JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范要求，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜的特征周期需要根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)型調(diào)整，調(diào)整后水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜的特征周期為0.3 s，豎直設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜的特征周期為0.25 s.反應(yīng)譜函數(shù)根據(jù)該鋼管混凝土拱橋抗震設(shè)防參數(shù)與場(chǎng)地類(lèi)型進(jìn)行調(diào)整，需同時(shí)考慮水平方向(包括縱向X方向和橫向Y方向)和豎向(Z方向)地震作用，進(jìn)行E2地震(工程場(chǎng)地重現(xiàn)期較長(zhǎng)的地震作用)的反應(yīng)譜分析.

2.1 地震作用下各個(gè)施工階段主拱圈位移分布

圖3為E2地震作用下12個(gè)施工階段主拱圈三個(gè)正交方向的最大位移，其中橫坐標(biāo)為拱肋距拱頂?shù)乃骄嚯x，靠近右岸拱肋位置坐標(biāo)為正，靠近左岸拱肋位置坐標(biāo)為負(fù).

圖3 E2地震作用下各施工階段拱肋最大位移包絡(luò)圖

由圖3a)可知:E2地震作用下，懸臂吊裝階段(CS1到CS6)，離拱腳固定端水平距離越長(zhǎng)，縱向位移越大，最大縱向位移發(fā)生在懸臂端.主拱合攏后的施工階段(CS7到CS12)，E1地震作用下主拱圈縱向位移呈“m”型，最大位移發(fā)生在約1/4跨處.由于左岸交界墩A比右岸交界墩A’長(zhǎng)3 m，可以發(fā)現(xiàn)在CS5和CS6階段，E2地震作用下左岸縱向最大位移比右岸的略大.所有的施工階段中，E2地震作用下CS5(吊裝第五段)左岸懸臂端主拱圈縱向位移最大，為0.094 m.

由圖3b)可知：在E2地震作用下，懸臂吊裝階段(CS1到CS6)離拱腳固定端水平距離越長(zhǎng)，橫向位移越大，且最大橫向位移發(fā)生在懸臂端.主拱合攏后的施工階段(CS7到CS12)，E2地震作用下主拱圈橫向位移呈“n”形，最大橫向位移發(fā)生在主拱圈中心主拱合龍?zhí)?所有的施工階段中，E2地震作用下CS10(灌注立柱主管混凝土)主拱合攏處主拱圈橫向位移最大，為0.269 m.CS10為主梁安裝前的一個(gè)階段，各立柱與交界墩沒(méi)有通過(guò)主梁和支座連為整體，相比前三個(gè)階段，拱上結(jié)構(gòu)質(zhì)量又最大，所以在地震作用下此階段橫向位移最大.

由圖3c)可知：E2地震作用下，懸臂吊裝階段(CS1到CS6)，離拱腳固定端水平距離越長(zhǎng)，豎向位移越大，最大豎向位移發(fā)生在懸臂端.主拱合攏后的施工階段(CS7到CS12)，E1地震作用下主拱圈豎向位移呈“m”形，最大豎向位移發(fā)生在主拱圈中心主拱合攏處.由于左岸交界墩A比右岸交界墩A’長(zhǎng)，可以發(fā)現(xiàn)在CS5和CS6階段，地震作用下，左岸豎向最大位移比右岸的大.所有的施工階段中，E2地震作用下CS6(吊裝第6段)左岸懸臂端主拱圈豎向位移最大，為0.187 m.

2.2 地震作用下各個(gè)施工階段拱腳拱肋內(nèi)力

該鋼管混凝土拱橋主拱圈截面是左右雙拱肋構(gòu)造，主拱圈橫橋向?qū)ΨQ，見(jiàn)圖4.

圖4 拱肋編號(hào)

圖5為E2地震作用下各施工階段拱肋拱腳內(nèi)力響應(yīng).由圖5可知： E2地震作用下，拱腳拱肋軸力和彎矩最大的施工階段均為CS12成橋階段，這是因?yàn)槌蓸蚝髽蛄嚎傎|(zhì)量最大，主拱圈作為主要承重結(jié)構(gòu)，整體受地震響應(yīng)更大.E2地震作用下，對(duì)比12個(gè)施工階段處于a，b，c，d四個(gè)位置的拱肋的受力情況，可以發(fā)現(xiàn)除了CS1階段，其他11個(gè)施工階段都是上弦桿外側(cè)拱肋a處軸力最大，下弦桿外側(cè)拱肋b處的豎向彎矩My最大，下弦桿內(nèi)側(cè)拱肋d處的橫橋向彎矩Mz最大.同一施工階段下，拱腳處拱肋橫橋向的彎矩Mz明顯大于豎向彎矩My.另外可以發(fā)現(xiàn)，在地震作用下12個(gè)施工階段中下弦桿(b和d)的彎矩明顯高于上弦桿(a和c)的彎矩.地震效應(yīng)作用下，立柱安裝前(CS1-CS7)上弦桿(a和c)的軸力明顯高于下弦桿(b和d)的軸力；立柱安裝后(CS7-CS12)外側(cè)拱肋(a和b)的軸力高于內(nèi)側(cè)拱肋(c和d)的軸力.

圖5 E2地震作用下各施工階段拱肋拱腳內(nèi)力響應(yīng)

3 時(shí)程分析

時(shí)程分析采用實(shí)際存在的地震波EI-Centro波、Traft波和Hollywood波進(jìn)行分析，考慮地震波三向(縱橋向、橫橋向和豎向)耦合作用下鋼管混凝土拱橋拱肋的力學(xué)響應(yīng).研究的鋼管混凝土拱橋12個(gè)施工階段中，CS6吊裝第六段為拱肋懸臂吊裝最后一個(gè)階段，CS12成橋階段為施工的最后一個(gè)階段，有較長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)期.選取在所有施工階段中具有代表性的CS6和CS12進(jìn)行時(shí)程分析.

3.1 位移響應(yīng)

圖6為縱橋向，橫橋向和豎向三向地震波耦合作用下CS6和CS12階段鋼管混凝土拱橋主拱圈的位移響應(yīng).由圖6可知：三向地震作用下，CS6階段和CS12階段拱肋橫向位移關(guān)于拱頂處對(duì)稱，CS6階段和CS12階段拱肋縱向位移和豎向位移在拱頂兩邊變化趨勢(shì)一致，但位移量不完全對(duì)稱.三向地震波耦合作用下，CS6階段拱肋縱向、橫向和豎向位移均在離拱腳最遠(yuǎn)的最大懸臂端；CS12階段拱肋橫向最大位移在拱頂處，縱橋向和豎向最大位移約在1/4拱處或3/4拱處.

圖6 三向地震波輸入下CS6和CS12階段主拱圈拱肋位移響應(yīng)

3.2 內(nèi)力響應(yīng)

提取鋼管混凝土拱橋CS6階段和CS12階段主拱圈外側(cè)拱肋上弦桿各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力最大值.圖7分別為三個(gè)方向地震波輸入下，鋼管混混凝土拱橋CS6和CS12階段主拱圈拱肋軸力、豎向彎矩My和橫橋向彎矩Mz的最大響應(yīng)值包絡(luò)圖.由圖7a)可知：三向正交地震波作用下，CS6階段拱腳和1/4拱處拱肋軸力比其他位置大.由圖7b)可知：三向正交地震波作用下，CS6階段主拱圈拱肋豎向彎矩My在每個(gè)立柱連接處有極大值點(diǎn).其中，在Traft波作用下，CS6階段主拱圈立柱B’連接處(x=138.25 m)拱肋彎矩My最大；在Hollywood波作用下，CS6階段主拱圈離拱頂125 m處(拱肋吊裝第二段跨中)拱肋彎矩Mz最大.由圖7d)可知：三向正交地震波作用下，CS12成橋階段拱肋軸力沿主拱圈呈“W”形，其中拱腳處拱肋軸力最大，拱頂處拱肋軸力最小.由圖7e)可知：成橋階段拱肋彎矩My在每個(gè)立柱連接處有極大值點(diǎn)，其中立柱G和G’連接處(x=±138.25 m)拱肋彎矩My有最大峰值，這是由于立柱連接處的拱肋通過(guò)立柱與上部結(jié)構(gòu)直接連接，其在地震作用下彎矩My較大.由圖7f)可知：三向正交地震波作用下，CS12成橋階段拱肋彎矩Mz在每個(gè)立柱連接處有極小值點(diǎn)，離拱頂最近立柱G和G’處拱肋彎矩Mz最??；CS12成橋階段拱肋彎矩Mz極大值點(diǎn)出現(xiàn)在每個(gè)吊裝節(jié)段跨中，距拱頂84.4 m處拱肋彎矩Mz最大.另外，對(duì)比三條地震波，發(fā)現(xiàn)Hollywood波比其他兩條地震波作用下拱肋彎矩Mz要大很多.

圖7 三向地震波輸入下CS6和CS12階段主拱圈拱肋內(nèi)力響應(yīng)

4 結(jié) 論

1) 在地震作用下，鋼管混凝土拱橋懸臂吊裝階段(CS1-CS6)主拱拱肋在三個(gè)正交方向的最大位移均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)懸臂端；鋼管混凝土拱橋主拱合攏后(CS7-CS12)主拱拱肋在縱橋向和豎向最大位移出現(xiàn)在約1/4拱處，橫橋向最大位移出現(xiàn)拱頂處.

2) 鋼管混凝土拱橋12個(gè)施工階段在地震作用下，CS5吊裝第五段主拱拱肋懸臂端縱橋向位移最大；CS10灌注立柱混凝土拱頂橫橋向位移最大；CS6吊裝第六段主拱拱肋懸臂端豎向位移最大.

3) 三向正交地震波耦合作用下，CS6階段拱肋最大位移出現(xiàn)懸臂端，拱肋的最大軸力出現(xiàn)在拱腳處；鋼管混凝土拱橋CS12階段主拱圈拱腳處拱肋軸力最大，與立柱連接處拱肋豎向彎矩比其他位置的大，橫向彎矩相對(duì)于其他位置偏?。黄渲?，Hollywood波比EI-Centro波和Traft波對(duì)鋼管混凝土拱橋主拱圈拱肋地震響應(yīng)偏大.