鄰梁碰撞對系桿拱橋地震響應(yīng)的影響分析

劉甲運

(中鐵一院集團(tuán) 新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司,新疆 烏魯木齊 830011)

在橋梁結(jié)構(gòu)形式的比選過程中，由于拱橋具有外形優(yōu)美、承載力大、跨越能力強的優(yōu)點而被廣泛使用[1]。系桿拱橋?qū)儆跓o推力結(jié)構(gòu)，一般為外部靜定內(nèi)部超靜定，且對地基的要求低，跨越能力強[2]，因此在地基條件較差的線路中被廣泛使用[3-4]。此外，鋼管混凝土等新材料新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，加速了系桿拱橋的發(fā)展。目前，關(guān)于系桿拱橋的研究主要集中在：①施工工藝及設(shè)計方法[5]；②鋼管混凝土材料力學(xué)性能[6]；③結(jié) 構(gòu)的抗震性能[7]；④吊桿的腐蝕、振動[8]；⑤拱腳的混凝土開裂等[9]。

關(guān)于橋梁的抗震性能，楊孟剛等[10]以高速鐵路簡支梁橋為研究對象，分析了橫向地震作用下?lián)鯄K與墊石的碰撞效應(yīng)并提出了防碰撞減震措施。閆磊等[11]研究了行波激勵下非規(guī)則橋梁的碰撞效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)碰撞對矮墩不利。劉正楠等[12]以多聯(lián)大跨連續(xù)梁橋為研究對象，探究了采用減隔震支座時鄰梁的碰撞問題，并研究了伸縮縫間隙的影響。彭剛輝等[13]研究了溫度效應(yīng)對簡支梁橋碰撞效應(yīng)的影響。王軍文等[14]研究了斜交簡支梁橋的地震碰撞效應(yīng)，對不同斜交角下的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。閆聚考等[15]以大跨懸索橋為研究對象，對其進(jìn)行振動臺試驗研究，發(fā)現(xiàn)主引橋之間的碰撞會減小引橋位移及固定墩的內(nèi)力需求。以上研究主要以連續(xù)梁、簡支梁及大跨橋梁為對象，而關(guān)于鄰梁碰撞對系桿拱橋地震響應(yīng)影響的研究較少。

本文以新建鐵路新疆博州線一座跨度64 m簡支鋼管混凝土系桿拱橋為工程背景，采用通用有限元分析軟件MIDAS/Civil建立全橋空間分析模型，考慮鄰梁碰撞效應(yīng)，進(jìn)行了系桿拱橋的地震響應(yīng)研究。

1 工程背景

1.1 橋梁概況

圖1 主橋立面及主梁跨中1/2橫斷面(單位：cm)

新建新疆博爾拉蒙古自治州一系桿拱橋，是連接博樂市鐵路交通網(wǎng)的重要組成部分。計算跨徑64 m，梁長65.4 m，矢高12.8 m，矢跨比1/5。主梁采用單箱雙室截面，梁高3 m，寬10.3 m。主橋立面及跨中橫斷面如圖1所示。拱肋與主梁的剛度比為1/18.16，屬于剛性系梁剛性拱。全橋共設(shè)11對吊桿，除拱腳至第1根吊桿間距為8.0 m外，其余吊桿中心間距均為4.8 m，采用55根φ7的平行鋼絲束。拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，每片拱肋由2根下弦鋼管和2塊厚16 mm的鋼板焊接成啞鈴形截面，拱肋中心距7.1 m，兩拱肋間設(shè)3道鋼管橫撐，在邊橫撐和拱肋間設(shè)4根斜撐，拱肋及橫撐內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土。鄰跨簡支梁計算跨徑為32 m，采用單箱單室截面，墩高均為8 m。

1.2 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立空間有限元模型。主梁、拱肋、橫撐、墩身、承臺等均采用空間梁單元模擬，吊桿采用索單元模擬，二期恒載為90 kN/m，樁土相互作用采用m法計算。采用動力分析方法，根據(jù)規(guī)范將土彈簧的剛度乘以系數(shù)2.5，支座采用主從約束模擬，不考慮活動支座的摩擦作用。全橋的有限元模型見圖2。鄰梁碰撞采用Kelvin單元[12]模擬，碰撞間隙取10 cm，其中Kelvin模型用一個剛度為Kk的線性彈簧與一個阻尼系數(shù)為Ck阻尼器并聯(lián)來模擬碰撞。

接觸力Fc的計算式為

(1)

用阻尼器模擬碰撞能量損失，阻尼大小與碰撞過程恢復(fù)系數(shù)e有關(guān)，對于混凝土材料e取0.65。阻尼系數(shù)與振型阻尼比ξ有關(guān)，其計算式為

式中：m1,m2為接觸單元連接的2個質(zhì)點的質(zhì)量。

圖3 地震波加速度時程曲線

1.3 場地地震動

該橋位于8度地震區(qū)，罕遇地震下加速度峰值為0.38g，地震響應(yīng)分析中依據(jù)場地條件的特征及反應(yīng)譜曲線計算出功率譜，然后擬合出與場地接近的3條人工波進(jìn)行地震響應(yīng)分析，其中一條典型的地震波加速度時程曲線如圖3所示。計算中地震動的輸入分2種模式，分別為順橋向和順橋向+豎向(0.65倍的順橋向)，采用Newmark-β法進(jìn)行積分計算。

2 動力特性分析

采用子空間迭代法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動力特性分析。計算結(jié)構(gòu)的前5階振型頻率及振型特征，結(jié)果見表1。

表1 結(jié)構(gòu)動力特性

3 考慮鄰梁碰撞的系桿拱橋地震響應(yīng)

3.1 順橋向地震作用

系桿拱橋作為空間結(jié)構(gòu)，各組成部件對地震響應(yīng)的敏感程度各不相同。在順橋向地震作用下，由于與相鄰簡支梁橋的動力特性不同，不同向的振動會引起鄰梁碰撞，鄰梁碰撞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的變化，對于系桿拱橋，各部件受地震引起的碰撞響應(yīng)應(yīng)予以關(guān)注。為全面分析這種影響，選擇以下指標(biāo)進(jìn)行評價：①拱肋軸力，包括左側(cè)拱腳、左側(cè)拱肋、拱頂、右側(cè)拱肋、右側(cè)拱腳的軸力;②橫撐及K撐軸力，為便于下文的描述，對部件進(jìn)行編號，如圖4所示;③跨中截面主梁軸力;④制動墩墩底截面彎矩、剪力。

圖4 橫撐及K撐編號

順橋向地震作用下，系桿拱橋各部件的地震響應(yīng)結(jié)果見圖5。

圖5 順橋向地震作用下的系桿拱橋各部件軸力

從圖5可以看出，考慮碰撞后拱肋的地震響應(yīng)變化較為劇烈，左右兩側(cè)拱肋的軸力的變化不相同，右側(cè)拱肋的軸力變化較左側(cè)更加顯著，從拱肋整體的受力分布來看，左側(cè)1/4拱肋處在縱向地震作用下所受軸力最小。碰撞對橫撐及K撐軸力的影響不及拱肋顯著，總體上受碰撞后橫撐及K撐所受軸力增加。其中K撐受力較小，為20 kN左右，而橫撐受力最大達(dá)到150 kN，這反映了結(jié)構(gòu)橫向剛度較小、1階振型為拱肋橫向彎曲振動的特性?？紤]碰撞之后，跨中軸力增大1.2倍，這是左右兩側(cè)相鄰簡支梁碰撞疊加的結(jié)果，而系桿拱橋的固定墩彎矩和剪力分別增加1.09倍和1.11倍。

通過順橋向的地震響應(yīng)分析可以發(fā)現(xiàn)，考慮碰撞后，拱肋依然是全橋最敏感的構(gòu)件。這是由于拱肋相比其余構(gòu)件剛度較小，質(zhì)量較輕。由動力學(xué)基本方程可知，質(zhì)量與剛度的分布直接影響到結(jié)構(gòu)的受力及傳力機制，因此拱肋依然是受碰撞影響最大的部件，應(yīng)引起重視。

3.2 順橋向+豎向地震作用

為進(jìn)一步探討碰撞對系桿拱橋地震響應(yīng)的影響，依據(jù)規(guī)范要求，對于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，在地震響應(yīng)分析時還應(yīng)考慮豎向地震動。為此，本文研究了豎向地震動工況，并依據(jù)規(guī)范取0.65倍的水平地震動作為輸入。圖6給出拱肋及橫撐、K撐的地震響應(yīng)。

圖6 順橋向+豎向地震作用下系桿拱橋各部件軸力

由圖6可見考慮豎向地震動后，結(jié)構(gòu)本身的地震響應(yīng)變大，碰撞對結(jié)構(gòu)的影響同樣被放大?？紤]豎向激勵后，地震響應(yīng)時2個方向的震動疊加，對于空間結(jié)構(gòu)疊加效應(yīng)表現(xiàn)為放大，而考慮碰撞后K撐對地震響應(yīng)的敏感程度高于橫撐。同理，墩柱及主梁的地震響應(yīng)均被放大。

3.3 2種輸入方式下的碰撞力

圖7 碰撞力時程曲線

對2種輸入方式下的碰撞力均取右側(cè)的伸縮縫進(jìn)行分析。圖7為右側(cè)伸縮縫處的碰撞力時程曲線?？梢钥闯觯?種輸入方式的碰撞力集中的區(qū)段大致相同，其中，考慮豎向地震動后，碰撞力峰值顯著增大，約增大40%左右，發(fā)生碰撞的次數(shù)也增加。從發(fā)生碰撞力的大小和次數(shù)可以看出，考慮豎向地震動引起的碰撞效應(yīng)是不可忽視的。對于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行地震響應(yīng)分析時，應(yīng)考慮豎向地震動的作用。

4 結(jié)論

1)鄰梁碰撞對系桿拱橋的拱肋、橫撐及K撐影響較為顯著，對于主梁及下部結(jié)構(gòu)的影響相對較弱。

2)順橋向+豎向地震動輸入時，結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)增加，考慮碰撞效應(yīng)后，拱肋及K撐的軸力增加較為顯著，橫撐所受影響較小。

3)考慮豎向地震動后，碰撞力顯著增大，碰撞次數(shù)也增大，因此對空間結(jié)構(gòu)而言，豎向地震動不容忽視。

4)碰撞效應(yīng)增大了系桿拱橋的受力，橋梁設(shè)計中應(yīng)充分考慮鄰梁的碰撞效應(yīng)，加強拱肋、橫撐及K撐的抗震設(shè)計。