梁拱組合協(xié)作體系的地震分析

梁田

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

梁拱組合協(xié)作體系的地震分析

梁田

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

梁拱組合協(xié)作體系為連續(xù)結(jié)構(gòu)和裝飾拱共同組成的結(jié)構(gòu)。連續(xù)結(jié)構(gòu)和拱肋都各自有著自己的下部結(jié)構(gòu)，但兩者又通過(guò)吊桿相互聯(lián)系，相互協(xié)作?，F(xiàn)對(duì)此種結(jié)構(gòu)作一模態(tài)分析，得到前六項(xiàng)結(jié)構(gòu)周期。同時(shí)分析在地震作用下的拱肋應(yīng)力、變形、基礎(chǔ)受力及連續(xù)結(jié)構(gòu)中橋墩的地震水平力，并與僅建立連續(xù)結(jié)構(gòu)的單梁模型進(jìn)行比較，從而對(duì)今后的梁拱組合協(xié)作體系的地震分析有一定的參考借鑒意義。

梁拱組合協(xié)作；單梁模型；地震效應(yīng)；拱肋

1 概述

根據(jù)編制方案的單位提供的最終效果圖及圖紙，某大跨度梁拱組合協(xié)作體系總長(zhǎng)520 m，其中車(chē)行橋跨徑布置為（4×40）+（60+80+60）+（4×40）=520（m）。中央（60+80+60）m采用變高度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，中支點(diǎn)梁高4.8m，跨中和邊支點(diǎn)梁高2.3m；兩側(cè)4×40 m采用等高度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，梁高2.3 m；車(chē)行橋標(biāo)準(zhǔn)段全寬20.5 m，其中功能寬度18.5 m，兩側(cè)各1 m為吊索區(qū)，跨海段車(chē)行橋總面積10 660m2。拱肋跨徑組合（79+80+200+80+79）m，沿主拱中心對(duì)稱。主拱邊拱均采用提籃拱的結(jié)構(gòu)形式，由拱腳至拱頂向內(nèi)側(cè)傾斜，拱軸線與水平面夾角呈76.7°，拱腳水平距離35.0 m主橋外側(cè)的裝飾連拱跨徑布置為：（80+80+200+80+80=520）m，200 m中跨拱高約64.7 m（見(jiàn)圖1）。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

為更好地研究梁拱組合協(xié)作在地震效應(yīng)下的力學(xué)特性，用M ID AS建立動(dòng)力分析模型。在動(dòng)力分析模型中，采用空間三維梁?jiǎn)卧M主梁、橋墩和承臺(tái)，對(duì)一片主梁進(jìn)行建模；考慮樁土相互作用，群樁基礎(chǔ)采用6×6的彈簧（一般彈性支承）來(lái)模擬其剛度；在模態(tài)分析和線性分析中，采用彈性連接模擬球鋼支座連接，約束方向與實(shí)際橋梁的約束方向相同，支座在模態(tài)分析和線性分析有限元模型中采用彈性連接模擬，連續(xù)梁采用單梁模擬混凝土箱梁，橫向2個(gè)球鋼支座（見(jiàn)圖2）。

同時(shí)，去掉拱肋和吊桿部分，建立單梁模型（見(jiàn)圖3），僅計(jì)算單梁的地震效應(yīng)，兩者進(jìn)行比較。

3 模態(tài)分析

按上述梁拱組合協(xié)作體系的計(jì)算模型，采用M ID AS對(duì)該橋進(jìn)行模態(tài)分析，得到前6階自振頻率及相應(yīng)振型計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1所列及圖4、圖5所示。

從以上的模態(tài)分析結(jié)果可以看出：

（1）從第一階，第二階振型圖中可以看出，基本只有縱梁在發(fā)生縱向振動(dòng)時(shí)，且組合協(xié)作體系的前兩階周期完全相同。而中跨發(fā)生主要縱向振動(dòng)時(shí)，組合協(xié)作體系的周期比單梁體系小0.74%，基本屬于誤差范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)為單梁和組合協(xié)作體系的縱向振動(dòng)的基頻和變形基本一致。

（2）在組合協(xié)作體系中，第三階、第五階就出現(xiàn)了拱肋的橫向振動(dòng)，而此時(shí)主梁并未發(fā)生橫向振動(dòng)，這說(shuō)明拱肋的橫向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主梁的橫向剛度。

（3）比較主梁橫向振動(dòng)時(shí)的頻率，組合協(xié)作體系的主梁橫向變形時(shí)頻率為0.684 s，單梁橫向變形時(shí)頻率為0.738s。橫向變形相同，組合協(xié)作體系的頻率為單梁的93%，略微不同。

4 地震效應(yīng)分析

該項(xiàng)目查特征周期T g=0.4 s，橋址處的地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g（基本烈度7度）（按照《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（C JJ166-2011）》、《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（G B18306-2001）》及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（G B50011-2010）》中某市的相關(guān)規(guī)定確定），主橋抗震設(shè)防類(lèi)別為丁類(lèi)，引橋抗震設(shè)防類(lèi)別為丁類(lèi)。

圖1 梁拱組合協(xié)作體系立面布置圖

圖2 梁拱組合協(xié)作體系計(jì)算模型

圖3 單梁計(jì)算模型

表1 橋梁模態(tài)分析一覽表

圖4 梁拱組合協(xié)作體系模態(tài)分析圖

圖5 單梁模型模態(tài)分析圖

按照《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（C JJ166-2011）》第3.3.2條，該橋的抗震設(shè)計(jì)方法為B類(lèi)。因此，對(duì)該橋進(jìn)行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算，取第5.2.1條的反應(yīng)譜曲線對(duì)該橋作反應(yīng)譜分析（見(jiàn)圖6）。

圖6 反應(yīng)譜

4.1 拱肋基礎(chǔ)地震效應(yīng)

用M ID AS C i v i l對(duì)該橋作E1縱向和橫向地震分析，主拱肋和副拱肋處的基礎(chǔ)受力如表2所列。

表2 拱腳基礎(chǔ)地震效應(yīng)一覽表

從表2可知，拱腳基礎(chǔ)的地震效應(yīng)較小，樁基均能滿足地基要求和強(qiáng)度要求。

4.2 拱肋位移及內(nèi)力地震效應(yīng)

取主拱肋的跨中、L/4和支點(diǎn)處斷面的內(nèi)力和位移值，如表3、表4所列。

表3 拱肋各斷面處縱向地震效應(yīng)一覽表

表4 拱肋各斷面處橫向地震效應(yīng)一覽表

由表3、表4可得，拱肋處各斷面的地震效應(yīng)較小，截面應(yīng)力基本沒(méi)有太大變化，拱肋位移均能滿足正常使用需要。

4.3 主梁處橋墩地震效應(yīng)

從M ID AS提取主梁下固定墩墩底的地震效應(yīng)，現(xiàn)均以中跨中間墩為研究對(duì)象，如表5、表6所列。

表5 主梁固定墩縱向地震效應(yīng)一覽表

由表5、表6的地震分析比較可以得出：

（1）組合協(xié)作體系中拱肋的變形和應(yīng)力在地震作用下影響較小。

（2）在組合協(xié)作體系與單梁計(jì)算的比較中，可以看到：在縱向地震效應(yīng)中，組合協(xié)作體系的墩底水平力僅比單梁計(jì)算的多3%；在橫向地震效應(yīng)中，組合協(xié)作體系的墩底水平力僅比單梁計(jì)算的少2%，產(chǎn)生的效應(yīng)差值均在5%以內(nèi)，滿足精度要求。

表6 主梁橋墩橫向地震效應(yīng)一覽表

（3）拱肋的地震效應(yīng)很小，這主要是由于拱肋較輕，自身產(chǎn)生的地震力較小。同時(shí)拱肋和主梁僅通過(guò)吊桿連接，兩者為相互獨(dú)立的系統(tǒng),相互影響較小。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）該橋?yàn)榱汗敖M合協(xié)作體系，兩者的地震效應(yīng)相互獨(dú)立，不產(chǎn)生共同作用。

（2）梁拱組合協(xié)作體系和單梁模型中的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)基頻、周期幾乎相等，模態(tài)形式也完全相同，從上可以看出兩者建模中連續(xù)梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果相同。

（3）梁拱組合協(xié)作體系中，拱肋的應(yīng)力、變形和基礎(chǔ)受力相對(duì)于使用階段來(lái)說(shuō)都非常小。因此該類(lèi)橋型可不對(duì)拱肋進(jìn)行地震分析。

（4）在梁拱組合協(xié)作體系和單梁模型中，連續(xù)結(jié)構(gòu)的橋墩水平地震力相差均在5%以內(nèi)，可認(rèn)為建立單梁模型來(lái)確認(rèn)該類(lèi)橋型的地震效應(yīng)是合理的。

（5）在梁拱組合協(xié)作體系和單梁模型中，連續(xù)結(jié)構(gòu)的橋墩水平地震力相差均在5%以內(nèi)，可認(rèn)為建立單梁模型來(lái)確認(rèn)該類(lèi)橋型的地震效應(yīng)是合理的。

深茂鐵路茂名段沖刺階段江門(mén)至茂名段明年6月通車(chē)

深茂鐵路東起深圳北站，途經(jīng)深圳、東莞、廣州（南沙）、中山、江門(mén)、陽(yáng)江，終點(diǎn)為茂名東站，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h，正線全長(zhǎng)388km。線路建成后，廣州與茂名之間的鐵路運(yùn)行時(shí)間將由5 h縮短至2.5 h左右，深圳至茂名將由原來(lái)的近7 h縮短至3 h以內(nèi)，從而極大改善粵西的區(qū)位優(yōu)勢(shì)。

深茂鐵路分兩期建設(shè)，一期為江門(mén)至茂名段，二期為深圳至江門(mén)段。其中一期工程江門(mén)至茂名段計(jì)劃在2018年6月底通車(chē)，江茂段將在江門(mén)通過(guò)廣珠城際和丹佛聯(lián)絡(luò)線接入貴廣高鐵，從而進(jìn)入廣州南站。

U448.2

B

1009-7716（2017）06-0129-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.037

2017-02-22

梁田（1984-），女，浙江紹興人，碩士，工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)研究工作。