大跨度鋼桁架拱橋施工階段抗震性能分析

楊方迪

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京100016）

1 引言

為了提升大跨度鋼桁架拱橋的抗震能力，以某在建鐵路大跨度鋼桁架拱橋為研究對象，運用橋梁分析軟件Midas Civil 建立該橋的空間結(jié)構(gòu)有限元分析模型，重點分析了結(jié)構(gòu)在縱向、橫向以及豎向為主地震作用下的地震響應(yīng)，計算了大跨度鋼桁架拱橋的動力特性，對施工中的橋梁的抗震性能做了綜合評價。實驗結(jié)果顯示：扣塔在發(fā)生地震時變成了橋梁的危險部件；拱圈合龍能在一定程度上增強橋梁抗震性能；橋梁主體材料在發(fā)生地震時產(chǎn)生了超限結(jié)構(gòu)位移。

2 建立模型

本文以某特大橋為研究對象，該橋的具體參數(shù)為：主橋為長490 m 的上承式鋼桁拱橋，其矢跨比為1/4.495，矢高為109.5 m，該橋按四線設(shè)計，線間距均為5 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)為2.0，拱肋內(nèi)傾角為3.674 5°。采用空間有限元分析軟件Midas Civil 可以建立全橋的三維有限元模型。本次研究共采用2 個模型，一個為最大懸臂施工階段的模型，另一個為主拱合龍施工階段的模型。采用梁單元模擬拱圈、扣塔以及交界墩，采用拉桁架單元模擬扣錨索。其中，主拱圈主肋采用了Q420q 和Q370q 鋼板，而聯(lián)結(jié)系以及拱上立柱則采用Q345q 鋼板，橋面主梁使用的是14 跨鋼-混結(jié)合梁，交界墩采用的是C40 混凝土。采用固結(jié)連接的形式來固定交界墩，立柱和主拱的連接方式為剛性連接，阻尼設(shè)為0.03。全橋有限元模型如圖1 所示。

圖1 全橋有限元模型

3 全橋自振特點

使用空間有限元計算軟件ANSYS 對全橋進行了特征值分析，并計算出鋼桁架拱橋前20 階頻率及周期表數(shù)據(jù)。由于大跨度鋼桁架拱橋具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橫豎向剛度相對較弱的特點，在不同的振動頻率下，全橋結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的振型的主要特征是不同的。在20 階振型中，有11 階的振型為結(jié)構(gòu)橫向彎曲，3 階振型結(jié)構(gòu)為豎向振動，6 階振型結(jié)構(gòu)為墩柱的縱向彎曲[1]。

4 地震激勵

在對施工階段的大跨度鋼桁架橋梁的抗震性能進行分析和研究時，大多數(shù)情況下會采用時程分析法[1，2]。該特大橋為A類工程，橋址所在地地震烈度等級為Ⅷ度，選用了3 種50 a 發(fā)生概率約在2%的罕遇地震波作為輸入因子（見圖2），設(shè)計地震波加速峰值為0.42g，持續(xù)時長為40 s。在綜合參考各種規(guī)范的要求之后，采用了豎直方向地震激勵程度為水平方向地震激勵程度的65%的方式，分別以縱向地震力、橫向地震力以及豎向地震力為主進行了荷載不同組合方式的選?。?/p>

圖2 罕遇地震地震波

荷載組合方式1：100%縱向地震力絕對值+30%橫向地震力絕對值+30%豎向地震力絕對值

荷載組合方式2：100%橫向地震力絕對值+30%縱向地震力絕對值+30%豎向地震力絕對值

荷載組合方式3：100%豎向地震力絕對值+30%縱向地震力絕對值+30%橫向地震力絕對值

5 輸出結(jié)果

5.1 施工階段橋梁自振特性分析

本文在保證橋梁結(jié)構(gòu)在3 個方向上振型參與度在90%以上的基礎(chǔ)上，得出了在橋梁建設(shè)過程中懸臂施工階段以及拱圈合龍階段前5 階振型的計算結(jié)果，見表1、表2。

表1 懸臂施工階段結(jié)構(gòu)自振特性

表2 拱圈合龍階段結(jié)構(gòu)自振特性

計算結(jié)果表明，處于最大懸臂階段時，橋梁結(jié)構(gòu)的前2 階振型都為結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，其中，扭轉(zhuǎn)和橫彎出現(xiàn)的頻率最高。在對結(jié)構(gòu)振型特性進行分析、研究后可以得出，在主拱進行合龍之后，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不會再出現(xiàn)于低階振型中，反而是橫向振動出現(xiàn)的頻率最高，這表明主拱合龍對于結(jié)構(gòu)的橫向剛度沒有顯著影響。

5.2 最大懸臂施工階段地震響應(yīng)結(jié)果分析

橋梁進行最大懸臂施工時。從計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）上弦桿最大應(yīng)力為133 MPa，下弦桿最大應(yīng)力為-128 MPa，扣塔最大應(yīng)力為145 MPa。3 個位置最大應(yīng)力均滿足材料屈服強度的要求，其中，上弦桿和下弦桿最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在1/4 跨附近，扣塔最大應(yīng)力則出現(xiàn)在塔底。

2）在地震作用下，弦桿應(yīng)力會出現(xiàn)明顯的增加，其中，上弦桿的增幅比較明顯，尤其是在載荷組合方式1 的作用下，增幅達到了103 MPa。研究還發(fā)現(xiàn)，在不同地震載荷作用下，上弦桿、下弦桿以及扣塔應(yīng)力變化規(guī)律基本是相同的[3]。

3）在載荷組合方式1 的作用下，扣塔頂部出現(xiàn)的最大縱向位移為66.4 mm，底部最大縱向位移為165 mm，扣塔頂端和底部出現(xiàn)的最大縱向位移差為131.8 mm。塔墩固結(jié)，但橋墩沒有固結(jié)從而導(dǎo)致墩頂縱向位移大于塔頂位移。在荷載組合方式2 的作用下，扣塔頂部出現(xiàn)的最大橫向位移為205.1 mm，底部為192.9 mm。由此可以得出，在地震過程中，扣塔頂端和底端橫向位移的變化規(guī)律是一樣的。

4）交界墩底部在荷載組合方式1 的作用下，其最大拉應(yīng)力為-6.6 MPa，超過了混凝土極限抗拉強度2.25 MPa。因此，在發(fā)生地震時，交界墩出現(xiàn)垮塌的可能性較大。

5.3 主拱合龍施工階段地震響應(yīng)結(jié)果分析

1）上弦桿出現(xiàn)的最大應(yīng)力為119 MPa，下弦桿出現(xiàn)的最大應(yīng)力為-153 MPa，扣塔出現(xiàn)的最大應(yīng)力為180 MPa，3 處位置均滿足材料屈服強度的要求。其中，上弦桿出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置位于1/4 跨處，下弦桿出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置在拱頂處，而扣塔出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置位于塔底處[4]。

2）在地震作用下，弦桿應(yīng)力會明顯地變強，上弦桿的增幅尤為明顯，在負載荷組合方式1 的作用下，弦桿最大增幅為85.2 MPa。

3）在載荷組合方式1 的作用下，扣塔頂端所能達到的最大縱向位移為109.2 mm，底部能達到的最大縱向位移為192.3 mm，扣塔頂部和底部的最大縱向位移差為131.8 mm；在荷載組合方式2 的作用下，扣塔頂部所能達到的最大橫向位移為205.1 mm，底部所能達到的最大橫向位移為192.9 mm。

4）和最大懸臂施工階段的地震作用相比，在同荷載作用下上弦桿應(yīng)力有所降低，下弦桿應(yīng)力升高，這表明，橋梁整體結(jié)構(gòu)受力更加均勻、合理主要得益于主拱合龍對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剛度進行了優(yōu)化，從而其可以更加均勻地承擔(dān)地震作用力[5]。和最大懸臂階段地震作用相比，扣塔縱向位移明顯減少，這主要得益于主拱合龍后，橋梁結(jié)構(gòu)的縱向剛度有所加強，縱向變形則相應(yīng)地有所減少，從而降低了地震作用力對扣塔的影響[6]。

6 結(jié)論

6.1 合龍能夠改善橋梁結(jié)構(gòu)抗扭能力

在進行橋梁懸臂結(jié)構(gòu)施工的過程中，橋梁的扭轉(zhuǎn)剛度以及橫向剛度均較低，且在低階振型下扭轉(zhuǎn)率較高，因此，橋梁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形的情況。在進行主拱合龍施工前，橋梁的橫向剛度相對較弱，而合龍完成后則可以在很大程度上增強橋梁結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)性能。

6.2 橫向纜風(fēng)鎖可增加穩(wěn)定性

在罕見地震作用下，正在進行最大懸臂施工和主拱圈合龍施工的橋梁，由于其主要構(gòu)件還未達到要求的屈服強度，扣塔在以橫向載荷為主的地震作用下可能會出現(xiàn)較大的位移，因此，可以在施工中增加橫向纜風(fēng)索，以保證橋梁的橫向穩(wěn)定性。

6.3 加強扣塔下部桿件設(shè)計

扣塔在以橫向載荷為主的地震作用下應(yīng)力響應(yīng)與位移響應(yīng)都比弦桿明顯，在以縱向載荷為主的地震作用下，扣塔的應(yīng)力響應(yīng)能力較為突出；在以橫向載荷為主的地震作用下，扣塔的位移響應(yīng)能力較為突出。結(jié)合實際施工情況，扣錨索索力一般都會比理論索力更大，這樣就會出現(xiàn)扣塔恒載異地力增大的可能，在地震載荷作用下扣塔所承受的風(fēng)險會增加。因此，在實際施工中，可以采取增強扣塔下部桿件設(shè)計的措施來保證其穩(wěn)定性。

6.4 主拱合龍有助于優(yōu)化橋梁內(nèi)部剛度分配

實驗結(jié)果表明，主拱合龍能在很大程度上優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料的剛度，使其在地震作用下受力更加均勻。此外，主拱合龍還能夠顯著提升橋梁主體結(jié)構(gòu)的縱向抗震性能，從而可以在一定程度上增強扣塔的縱向抗震性能。