大跨度钢桁架拱桥施工阶段抗震性能分析

2020-07-21 07:26姚昌荣李亚东

四川建筑 2020年1期

周文，姚昌荣，李亚东

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

桥梁是道路关键节点，一旦垮塌，抢修临时便道恢复交通十分困难，其抗震安全性尤为重要。钢桁架拱桥造型优美、跨越能力大，在我国得到越来越多的应用。目前已经有大量学者对钢桁架拱桥的抗震性能进行过专门研究[1-4]，但这些研究基本针对成桥状态的桥梁，对施工阶段桥梁的研究甚少。侯远利[5]以某钢筋混凝土拱桥为例，较为细致的研究了该桥施工阶段的抗震性能。Wilson[6]研究了处于悬臂施工阶段的斜拉桥在地震作用下的响应，Benjumea[7]分析了处于悬臂施工阶段的矮塔斜拉桥的地震易损性，Wen[8]则提出了一种针对处于施工阶段斜拉桥的振动控制方案。目前还没有学者对施工阶段钢桁架拱桥抗震性能进行过专门研究。

大跨度钢桁架拱桥结构复杂，施工精度要求高，施工周期往往长达数年，不能忽略其在长期施工中遭遇地震的可能。本文以某大跨钢桁架拱桥为工程背景，对施工阶段钢桁架拱桥的抗震性能进行研究。

1 模型建立

1.1 工程概况

本文以一座主跨490m提篮式上承钢桁架拱桥为工程背景，该桥矢高109.5m，矢跨比1/4.475，拱轴线采用悬链线，拱轴系数2.0，拱肋内倾角3.657 8 °，拱脚处拱肋间距为32m，拱顶处拱肋间距为18m。钢桁拱采用4片桁设计，上、下弦杆截面高、宽皆为2.0m。4片桁每两片组成一肋，每肋的两片桁间距3.4m，通过横杆连接成整体。桁高为变高度，拱脚为16m，拱顶11m。弦杆采用箱型带肋截面，腹杆截面采用H型，主拱之间采用K型横向联接系，结构简图见图1。

图1 结构简图

1.2 有限元模型

使用空间有限元分析软件Midas/Civil建立全桥三维有限元模型。共采用2个结构模型，模型1为最大悬臂施工阶段，模型2为主拱合龙施工阶段，以探讨桥梁在施工阶段的抗震性能，并评估主拱合龙对桥梁抗震性能的影响。

桥梁拱圈、交界墩、扣塔采用梁单元模拟，扣锚索采用只受拉桁架单元模拟；拱圈采用Q370qE及Q345q，交界墩采用C35，扣塔采用Q345q；交界墩墩底采用固结连接形式，扣锚索锚碇边界条件为固结，立柱与主拱采用刚性连接；阻尼按照规范设为0.03。计算模型见图2。

(a) 最大悬臂

(b) 拱圈合龙图2 有限元模型

1.3 地震激励

采用时程分析法对施工阶段桥梁的抗震性能进行分析。该桥是位于地震烈度Ⅷ度区的A类工程，桥址所在场地的工程地震条件进行过专门研究，本文选用三条基于场地安全评估报告的罕遇地震波(50年超越概率2 %)(图3)作为输入，地震波加速度峰值为0. 42g，持时40s。同时参考规范[9]，竖直方向地震激励按水平方向地震动的65 %进行分析。参考欧洲规范，分别按照以纵向地震力为主、横向地震力为主、竖向地震力为主，选取以下荷载组合方式：

荷载组合Ⅰ：100 %纵向绝对值+30 %横向绝对值+30 %竖向绝对值。

荷载组合Ⅱ：30 %纵向绝对值+100 %横向绝对值+30 %竖向绝对值。

荷载组合Ⅲ：30 %纵向绝对值+30 %横向绝对值+100 %竖向绝对值。

图3 罕遇地震地震波

2 计算结果

2.1 自振特性分析

动力特性分析是进行抗震分析的基础，本文计算结构前30阶振型，保证结构在三个方向振型参与质量在90 %以上，两施工阶段前5阶振型计算结果如表1、表2所示。

表1 悬臂施工阶段结构自振特性

表2 拱圈合龙阶段结构自振特性

计算结果显示：在最大悬臂阶段，结构的第1阶振型为主拱竖向扭转，频率为0.32Hz，前两阶振型主要都是结构扭转，扭转与横弯出现频率较高；在主拱合龙后，结构的第1阶振型为主拱对称横弯，频率为0.44Hz，第2阶振型为主拱纵弯，横向弯曲出现频率较高。分析可知，结构振型中横向振动发生频率较高，且分布在前期模态中，说明结构横向刚度较低，施工期间需注重横向抗震性能设计。

主拱合龙后，结构低阶频率显著增高，基频增大37.5 %，说明主拱合龙能够显著增强结构刚度；通过对振型特征分析可知，主拱合龙后，低阶振型中不再出现结构扭转，但是横向振动出现频率仍较高，说明主拱合龙能够增强结构抗扭刚度，但横向刚度并无显著变化。

2.2 地震响应结果分析

针对研究内容，本文对2个模型进行计算分析，并给出施工阶段桥梁的上、下弦杆、扣塔在各工况下的内力变化图。扣塔是重要的临时结构，因此本文同时给出扣塔底端、顶端节点在最不利地震作用为主的荷载作用下的位移时程曲线。

2.2.1 最大悬臂施工阶段

最大悬臂施工阶段地震作用计算结果见图4、图5、图6所示。由计算结果可知：

(1)上弦杆、下弦杆、扣塔的最大应力分别为133MPa、-128MPa、145MPa，均满足材料屈服强度要求，上弦杆最大拉应力出现在1/4跨附近，下弦杆最大压应力在1/4跨附近，扣塔最大应力出现在塔底。

(2)地震作用会大幅增加弦杆应力，上弦杆的增量相对明显，在荷载组合Ⅰ作用下最大增幅达到103MPa。

(3)不同地震荷载组合作用，上、下弦杆与扣塔的应力分布规律基本一致。悬臂阶段桥梁在纵向地震作用为主的荷载作用下有最大应力响应，扣塔的响应最为明显，这是因为扣塔通过扣索与主拱弦杆连接，其应力变化与弦杆应力变化保持一致。

(4)在荷载组合Ⅰ作用下，扣塔顶端最大纵向位移66.4mm，底端最大纵向位移165mm。由图5可见，13.4s时，扣塔顶端与底端纵向位移差最大为131.8mm，主要是由于塔墩固结，而桥墩上部半部分无扣锚索约束，导致墩顶纵向位移比塔顶位移还要大(图6)。在荷载组合Ⅱ作用下，扣塔顶端最大横向位移205.1mm，底端最大横向位移192.9mm，由图5可见，地震作用过程中扣塔顶端、底端横向位移变化规律保持一致。

(5)交界墩底部在荷载组合Ⅰ作用下墩身最大拉应力为-6.6MPa，超过规范规定的C35混凝土极限抗拉强度2.25MPa，交界墩存在较大破坏风险。

2.2.2 主拱合龙阶段

主拱合龙后，地震作用下计算结果见图7、图8所示。由计算结果可知：

(1)上弦杆、下弦杆、扣塔的最大应力分别为119MPa、-153MPa、180MPa，均满足材料屈服强度要求。上弦杆最大应力出现在1/4跨附近，下弦杆最大应力出现在拱顶，扣塔最大应力出现在塔底。

(2)地震作用会大幅增加弦杆应力，上弦杆的增量相对明显，在荷载组合Ⅰ作用下杆件最大增幅达到85.2MPa。