梁拱组合桥地震响应对矢跨比的敏感性研究

倪建华

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011)

梁拱组合桥地震响应对矢跨比的敏感性研究

倪建华

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011)

在地震作用下，梁拱组合体系桥梁的矢跨比对于桥梁不同关键截面的地震响应具有重要影响，且影响程度具有显著差异。在桥梁抗震设计中可以通过设置合理的矢跨比，有效改善梁拱组合体系桥梁的抗震性能，降低重要构件的地震响应，确保桥梁的地震安全性。

桥梁抗震；梁拱组合桥；地震响应；矢跨比

梁拱组合体系桥梁结构体系较为复杂，矢跨比、梁拱刚度比等重要设计参数均有可能对结构的静力和动力性能产生显著影响[1-4]。目前，国内外对于梁拱组合体系桥梁的抗震研究较少，各重要设计参数对于结构地震响应规律及其震害机理的重要影响仍需要进一步研究[5-6]。因此，本文将主要研究梁拱组合桥梁地震响应对矢跨比的敏感性，为该类桥梁设计提供参考，显著提高桥梁抗震设计的有效性和合理性。

1 算例工程

本文选择了一座梁拱组合体系桥梁作为算例工程，该桥上部结构采用(30 m+80 m+30 m)的梁拱组合体系，主跨采用刚性系杆刚性拱，计算跨径L=80 m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/4，矢高为20.0 m，拱肋采用等截面矩形截面，每片拱片设间距为4.0 m的吊杆17根。下部结构桥墩采用实体式墩身下设承台接8根桩基础，桥台采用盖梁接2根桩基础，桩基础直径均为2.2 m，按摩擦桩设计。算例桥梁的立面布置图具体见图1所示。

图1 算例桥梁立面布置图

本文采用通用有限元分析软件SAP2000建立了算例桥梁的抗震有限元模型，并进行全桥的地震响应分析，抗震有限元模型见图2所示。

图2 算例桥梁抗震有限元模型

2 地震动输入

根据文献[7]，获得算例桥梁在E1和E2两个水准下的设计水平加速度反应谱，并生成匹配两个地震水准的人工加速度时程波各3条，规范设计谱及其与人工波反应谱之间的对比见图3和图4所示。地震动输入分别采用纵向+竖向和横向+竖向两种方式，竖向地震取为水平地震的0.5倍。

图3 E1地震水准下反应谱对比图

图4 E2地震水准下反应谱对比图

3 地震响应分析

矢跨比是影响拱圈受力的主要因素之一，对于梁拱组合体系桥梁而言，拱轴线大都采用抛物线，矢跨比大致在1/7～1/4。算例桥梁的矢跨比为1/4，为了探讨矢跨比对桥梁抗震性能的影响，在构件尺寸、材料等保持不变的情况下，把该桥的矢跨比分别调整为1/5、1/6、1/7。

针对算例桥梁的结构和抗震特点，选取地震响应最不利的部位及截面主要包括墩柱的墩底截面(即截面1，分左右墩，截面1-左、截面1-右)、主拱圈的拱脚截面(即截面2，分左右，截面2-左、截面2-右)、系梁与飞燕连接处的突变截面(即截面3，分左右，截面3-左、截面3-右)等处。

(1) 纵向+竖向地震。在纵向+竖向地震作用下，对于E1和E2两个地震水准，矢跨比对于拱梁组合体系桥梁关键部位纵桥向地震响应的影响基本一致，具体见图5～图7所示。

图5 关键截面轴力随矢跨比的变化图(纵向+竖向地震)

图6 关键截面剪力随矢跨比的变化图(纵向+竖向地震)

图7 关键截面弯矩随矢跨比的变化图(纵向+竖向地震)

分析图5可知，矢跨比的变化对墩底截面(即截面1)的地震轴力响应影响较小，但对拱脚截面(即截面2)和系梁最不利受力截面(即截面3)的影响较大。当矢跨比由1/4变化到1/7时，截面2的地震轴力响应逐渐增大；而截面3的地震轴力响应则逐渐下降；截面1的地震轴力响应也略有上升。因此，在设计矢跨比为1/4的情况下，拱脚截面和墩底截面的轴力响应处于最低水平；而系梁受力最不利截面的轴力响应则为最大值。

分析图6可知，矢跨比的变化对几个关键截面的地震剪力响应影响比轴力小，系梁受力最不利截面的剪力响应几乎没有变化。当矢跨比由1/4变到1/7时，截面1的地震剪力响应略有增长；截面2的地震剪力响应略有下降；而截面3的地震剪力响应几乎不变。因此，在设计矢跨比为1/4的情况下，拱脚截面的剪力响应处于最低水平；而墩底截面的剪力响应则为最大值。

分析图7可知，矢跨比的变化对几个关键截面的地震弯矩响应影响也较小。当矢跨比由1/4变化到1/7时，截面1的地震弯矩响应略有增长；截面2的和截面3的地震弯矩响应变化甚微。因此，在设计矢跨比为1/4的情况下，拱脚截面的弯矩响应处于最低的水平。

(2) 横向+竖向地震。在横向+竖向地震作用下，对于E1和E2两个地震水准，矢跨比对于拱梁组合体系桥梁关键部位横桥向地震响应的影响基本一致，具体见图8～图10。由于左、右墩上分别设置的是横向固定支座和横向活动支座，故两个墩墩底截面地震内力响应的差异较大。

图8 关键截面轴力随矢跨比的变化图(横向+竖向地震)

分析图8可知，矢跨比的变化对墩底截面的地震轴力响应影响较小，但对拱脚截面和系梁最不利受力截面的影响较大。当矢跨比由1/4变化到1/7时，截面1的地震轴力响应先缓慢增长，随后缓慢下降；截面2和截面3的地震轴力响应都逐渐增长，但截面2的增幅更大。因此，在设计矢跨比为1/4的情况下，拱脚截面、墩底截面和系梁受力最不利截面的轴力响应均处于最低水平。

图9 关键截面轴力随矢跨比的变化图(横向+竖向地震)

图10 关键截面轴力随矢跨比的变化图(横向+竖向地震)

分析图9可知，矢跨比的变化对几个关键截面的地震剪力响应影响比轴力小，系梁受力最不利截面的剪力响应几乎没有变化。当矢跨比由1/4变到1/7时，截面1和截面2的地震剪力响应均出现小幅下降；而系截面3的地震剪力响应几乎不变。因此，在设计矢跨比为1/4的情况下，拱脚截面和墩底截面的剪力响应均为最大值。

分析图10可知，矢跨比的变化对几个关键截面的地震弯矩响应影响也较小，拱脚截面和系梁受力最不利截面的剪力响应变化甚微。当矢跨比由1/4变化到1/7时，截面1和截面2的地震弯矩响应略有下降；截面3的地震弯矩响应变化很小。因此，在设计矢跨比为1/4的情况下，拱脚截面的弯矩响应处于最高水平。

4 结束语

综上所述，对于类似算例桥梁这样的梁拱组合体系桥梁，在纵向+竖向和横向+竖向地震作用下，矢跨比对桥墩、主拱圈、系梁等关键构件及其关键截面的轴力影响较大，但对剪力和弯矩影响较小。因此，在设计阶段合理调整矢跨比，能够有效改善梁拱组合体系桥梁的抗震性能，降低重要构件的地震响应，确保桥梁的地震安全性。

[1] 于淑兰.梁拱组合桥梁结构体系性能分析[D].大连：大连理工大学，2003.

[2] 王洪超.连续梁拱组合体系桥梁设计参数分析[J].岩土工程界，2006，9(4): 27～29.

[3] 滕丽平.梁拱组合体系桥受力性能研究 [D].长沙：中南林业科技大学，2012.

[4] 易云焜.梁拱组合体系设计理论关键问题研究[D].上海：同济大学，2007.

[5] 巩 朝.拱梁组合体系桥梁的地震反应分析[D].长沙：长沙理工大学，2010.

[6] 司秀勇,潘慧敏,蒋再松，等.梁-拱组合体系桥自振特性分析及参数研究[J].铁道建筑，2008(1):28～30.

[7] JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S]．

2016-11-02；修改日期：2016-12-01

倪建华(1969-)，男，安徽潜山人，安徽省交通勘察设计院有限公司高级工程师．

U442.55；U448.29

A

1673-5781(2016)06-0786-04