橋面設(shè)縫對(duì)中承式三跨連拱橋動(dòng)力性能影響分析

李文龍

(上海市林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢(xún)有限公司,上海 200437)

中承式拱橋橋面系根據(jù)位置不同,可分為上承部分和下承部分。上下承交接處即為拱肋與橋面系相交處,通常橋面系在此處設(shè)有伸縮縫[1]。該種常規(guī)做法使得橋面系結(jié)構(gòu)較為分散,橋面系整體性能不突出。另外,橋面系伸縮縫較容易損壞,實(shí)際使用過(guò)程中車(chē)輛行車(chē)舒適性一般。伸縮縫處損壞后帶來(lái)的橋面系高差還可能導(dǎo)致車(chē)輪荷載沖擊效應(yīng)明顯,對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能及局部構(gòu)件的疲勞性能均有不利影響。橋面系設(shè)縫位置不同對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度并未從動(dòng)力性能方面對(duì)比得到較優(yōu)解。

1 工程概況

江布拉克大橋主橋采用中承式鋼混疊合梁系桿鋼拱橋體系,主橋跨徑為30m+120m+160m+120m+30m=460m。

圖1 江布拉克大橋主橋立面布置圖(單位：mm)

拱肋采用鋼箱結(jié)構(gòu),主拱肋內(nèi)傾形成提籃拱。通過(guò)調(diào)整拱肋矢跨比,平衡拱肋間恒載水平推力。160m跨徑拱肋平面內(nèi)拱軸線采用二次拋物線,立面矢高52m；120m跨徑拱肋平面內(nèi)拱軸線采用二次拋物線,立面矢高33m。拱肋主體采用鋼結(jié)構(gòu),拱腳部分采用混凝土結(jié)構(gòu)。拱肋橫橋向由兩榀拱肋組成。拱肋截面采用鋼箱形斷面,160m跨徑拱肋高度從拱頂3.2米漸變至拱軸線拱腳處4.5米；120m跨徑拱肋高度從拱頂2.5米漸變至拱軸線拱腳處3.5米。

主橋橋面系采用鋼-混凝土疊合梁,設(shè)置縱橫梁上鋪混凝土橋面板。道路中心線處梁高2.2m,橋面全寬35m。吊桿區(qū)域橋面系設(shè)置了兩道縱梁,非吊桿區(qū)域設(shè)置了三道縱梁。橫梁全橋均勻布置,吊桿區(qū)域橫梁間距為5m,非吊桿區(qū)域部分橫梁間距為4m。

2 計(jì)算與分析

在江布拉克大橋的設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)于橋面系設(shè)縫位置進(jìn)行了對(duì)比設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中對(duì)橋面系在拱梁處設(shè)縫(工況一)、拱梁處不設(shè)縫,在主橋兩端設(shè)縫(工況二)兩種情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算分析。通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果,比較兩種模式下結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的不同和優(yōu)劣。

結(jié)構(gòu)分析采用Midas Civil 2017有限元軟件,采用梁?jiǎn)卧M拱肋、橋面系縱橫梁；桁架單元模擬吊桿；板單元模擬橋面板。為保證輸入一致,除伸縮縫設(shè)置不同及相應(yīng)的構(gòu)件設(shè)計(jì)不同外,其余均相同。圖2為有限元分析模型。

圖2 有限元分析模型

2.1 自振特性

橋址處地震反應(yīng)譜特性如下圖所示。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)論,對(duì)比工況一(拱梁處設(shè)縫)和工況二(拱梁處不設(shè)縫)的自振特性如下表所示。

表1 自振振型對(duì)比

工況一:拱梁處設(shè)縫工況二:拱梁處不設(shè)縫振型描述振型描述第四階振型右邊跨橋面系一階橫飄橋面系二階橫飄第五階振型左邊跨橋面系一階縱飄邊拱肋一階扭轉(zhuǎn)第六階振型右邊跨橋面系一階縱飄邊拱肋一階橫飄第七階振型主跨橋面系一階扭轉(zhuǎn)主拱肋一階豎彎第八階振型主拱肋一階豎彎主拱肋一階橫向彎曲

表2 自振周期對(duì)比

表1顯示,工況一(拱梁處設(shè)縫)橋面系較為零散,整體性較差；表2顯示工況一(拱梁處設(shè)縫)前幾階振型周期均小于工況二(拱梁處不設(shè)縫),且振型參與質(zhì)量較低。質(zhì)量參與度底說(shuō)明部分質(zhì)量仍在更高階但周期更短的振型中,結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)將會(huì)較大。工況二(拱梁處不設(shè)縫)橋面系整體性較強(qiáng),前幾階振型參與質(zhì)量較高,能較為明顯避開(kāi)反應(yīng)譜中周期較短的區(qū)域。

2.2 構(gòu)件內(nèi)力

結(jié)合以上分析,對(duì)兩種工況下關(guān)鍵斷面在E2作用下的內(nèi)力如下表所示。

表3 E2作用下拱肋內(nèi)力比較

表3清晰反映兩種工況下拱肋內(nèi)力情況,工況二(拱梁處不設(shè)縫)拱肋關(guān)鍵截面內(nèi)力較之工況一(拱梁處設(shè)縫)有明顯的降低,說(shuō)明工況二設(shè)置下結(jié)構(gòu)受力較優(yōu),在地震作用較為強(qiáng)烈的區(qū)域,工況二的設(shè)置較為合理。

3 結(jié)論

針對(duì)中承式拱橋橋面系設(shè)縫位置進(jìn)行了動(dòng)力性能方面的對(duì)比分析,結(jié)果顯示,橋面系較少設(shè)縫,能有效拉長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期,降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),結(jié)構(gòu)受力較優(yōu)。在合適情況下,中承式拱橋可考慮橋面系較少設(shè)置伸縮縫,提高橋面系整體性,提升結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能[2,3]。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京：人民交通出版社,2007．

[2]戴利民.沈陽(yáng)市渾河動(dòng)漫橋主橋設(shè)計(jì)[A].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)橋梁及結(jié)構(gòu)工程分會(huì)、上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì).第十九屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(上冊(cè))[C].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)橋梁及結(jié)構(gòu)工程分會(huì)、上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì),2010∶6．

[3]余淑芳,袁海云.中承拱橋肋板式連續(xù)行車(chē)道系實(shí)踐[J].江西建材,2009(2)：109-110．