上承式橋

1.1結(jié)構(gòu)概況

某上承式無鉸鋼桁拱橋,凈跨度400 m, 凈矢高80m ,矢跨比1/5 ,拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m =1 .9,拱圈為鋼桁架,由3 片鋼桁架拱肋構(gòu)成,桁高10m ,上、下弦桿均采用鋼箱,高1 .5m ,寬1 .0m 。拱上建筑采用梁式腹孔,腹孔布置為16×27 m,共設(shè)15個(gè)拱上立柱, 2個(gè)交界墩。拱上立柱采用箱型鋼排,橫向?yàn)?根鋼箱截面立柱,鋼箱橫橋向?qū)?.0m, 順橋向高1.7～0 .9m 。橋面系采用鋼-混凝土疊合連續(xù)梁,僅在交界墩頂設(shè)置伸縮縫,鋼縱梁高1.7m, 每6 .75 m 設(shè)1 道橫梁,橋面縱坡為1 .6%。全橋除在伸縮縫處布置單向活動(dòng)支座外, 其余立柱頂均布置固定支座。

1 .2 計(jì)算方法

本文采用時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,具體為線性加速度時(shí)程積分, 即Newmark法中δ=0.5 , α=0 .25 的情況。

1 .3 有限元模型

結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)采用有限元法進(jìn)行分析,所采用的單元以梁單元為主,主拱弦桿、腹桿橫向連接桿件、拱上立柱均采用空間梁單元來模擬, 橋面鋼縱、橫梁也離散為空間梁單元,混凝土橋面板及后澆層則采用板殼單元來模擬,建模中考慮混凝土橋面板應(yīng)位于鋼縱、橫梁頂,這樣橋面剛度和質(zhì)量的幾何位置才準(zhǔn)確, 在鋼縱、橫梁單元和橋面板單元間設(shè)置剛臂來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)支承情況,拱肋上、下弦、拱腳處斜腹桿、過渡墩的邊界條件均取為與地基剛接,橋面與立柱間的固定支座、活動(dòng)支座均采用桿端自由度放松來模擬。結(jié)構(gòu)阻尼比取為0 .02。

1 .4 激勵(lì)模型

在時(shí)程分析中, 選用的地震激勵(lì)通常包括:實(shí)測時(shí)程、根據(jù)橋位場地地震危險(xiǎn)性分析提出的人工時(shí)程、根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜或功率譜合成的人工時(shí)程。鑒于實(shí)測時(shí)程是地震動(dòng)的真實(shí)記錄,包含人工時(shí)程中難以模擬的真實(shí)特性, 如速度脈沖、波串和其他的未知特性, 采用此類時(shí)程可獲得較為真實(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng),本文采用實(shí)測時(shí)程作為輸入。但在選擇實(shí)測時(shí)程時(shí)應(yīng)注意到地震動(dòng)頻譜結(jié)構(gòu)的重要性, 應(yīng)選用地質(zhì)情況與橋位場地相近的場地獲得的地震記錄,用這樣的時(shí)程來對(duì)實(shí)橋進(jìn)行分析才有意義。大跨度上承式拱橋一般均要求地基條件較好,通常位于I 類場地上,由于本橋?qū)匍L周結(jié)構(gòu),故選用Los Angeles 作為縱向和橫向輸入,并將最大加速度調(diào)整為0 .2g ,即為地震裂度8 度地區(qū)的設(shè)計(jì)基本加速度值,豎向輸入則取為縱向輸入的0.6倍。3 個(gè)地震平動(dòng)分量間的相關(guān)性按主軸理論來處理, 這樣各方向激勵(lì)是互不相關(guān)的, 并假定地震動(dòng)主軸的x, y和z方向分別與結(jié)構(gòu)的縱、橫、豎向重合。地震動(dòng)輸入點(diǎn)為拱腳。

1)拱腳截面是上承式鋼桁拱橋在地震作用下的危險(xiǎn)截面,豎向激勵(lì)使拱頂內(nèi)力明顯增大, 但對(duì)拱腳的影響卻不如拱頂明顯。

2)橋面的縱向振動(dòng)對(duì)拱肋內(nèi)力有一定影響,且是不利的。

3)橋面支座布置方式是影響拱肋內(nèi)力響應(yīng)的重要因素,放松短立柱的順橋向約束可有效地減小拱肋內(nèi)力,短立柱的受力也會(huì)明顯減小。

4)全部采用固定支座來連接拱上立柱和橋面,對(duì)于提高立柱穩(wěn)定性是有利的,但對(duì)于拱肋的內(nèi)力響應(yīng)卻有其不利的一面,設(shè)計(jì)中在布置橋面支座時(shí)應(yīng)綜合考慮立柱穩(wěn)定及抗震的需要。

5)上承式拱橋采用密布橫向連接系,避免了在橫撐處出現(xiàn)軸力和面外彎矩的峰值, 同時(shí), 上承式拱橋橋面支座的橫向水平力較中承式拱橋要均勻得多, 其承受橫向地震的能力較中承式拱橋強(qiáng)。

6)在多點(diǎn)激勵(lì)作用下,上承式鋼桁拱橋拱腳和拱頂附近的內(nèi)力較同步激勵(lì)有較大增加,波速越小增幅越大, 多點(diǎn)激勵(lì)的不利影響是此類橋梁地震響應(yīng)計(jì)算中應(yīng)考慮的因素。

7)橋面縱坡對(duì)拱肋內(nèi)力有一定影響,立柱較高一側(cè)拱肋的內(nèi)力較大,建立計(jì)算模型時(shí)應(yīng)考慮橋面縱坡。

概述

上承式拱橋是拱橋的重要形式,與拱橋的其他形式相似, 抗震也是其無法回避的問題。與中、下承式拱橋相比, 上承式拱橋的橋面位置較中、下承式拱橋高,使得上承式拱橋的質(zhì)量中心比中下承式拱橋的高,并且大跨度中、下承式拱橋一般采用漂浮式橋面系,而在大跨度上承式鋼拱橋中, 由于靠近拱腳的拱上立柱較高,為提高立柱穩(wěn)定性, 通常將橋面與立柱鉸接甚至剛接, 這樣, 在地震作用下, 與漂浮式橋面系相比,橋面質(zhì)量對(duì)拱肋響應(yīng)的影響會(huì)有較大不同,這些都使上承式拱橋的地震響應(yīng)具有其自身特點(diǎn)。近年來,不少學(xué)者對(duì)拱橋的抗震問題進(jìn)行較深入研究, 并取得了一系列的成果。這些文獻(xiàn)中, 對(duì)中承式拱橋的研究較多,對(duì)鋼管混凝土拱橋的研究也較多, 而對(duì)上承式鋼拱橋的地震響應(yīng)研究較少。

在此,本文作者以國內(nèi)跨度最大的某上承式鋼桁拱橋?yàn)榉治鰧?duì)象, 對(duì)這一橋型在多維激勵(lì)、多點(diǎn)激勵(lì)作用下的響應(yīng)特性進(jìn)行討論,探討密布橫向連接系對(duì)拱肋內(nèi)力響應(yīng)的影響, 并對(duì)橋面支座布置方式的影響進(jìn)行對(duì)比分析。

2 .1 同步激勵(lì)作用下的響應(yīng)特性

在縱向同步激勵(lì)作用,上弦的最大軸力出現(xiàn)在拱腳截面,3l/8跨附近的軸力也較大, 這些特點(diǎn)與中承式桁拱橋的特點(diǎn)是相似的 , 面內(nèi)彎矩分布情況與中承式拱橋的分布情況有所不同。中承式拱橋的最大面內(nèi)彎矩分布曲線較光滑,而上承式拱橋則呈多峰狀,且拱頂附近的面內(nèi)彎矩峰值比拱腳附近的明顯。與結(jié)構(gòu)圖相對(duì)比可知,出現(xiàn)最大面內(nèi)彎矩峰值的位置與立柱位置是相對(duì)應(yīng)的,故可認(rèn)為該峰值由立柱所致。這是由于大跨度上承式鋼桁拱橋的橋面與立柱是鉸結(jié)的, 橋面的縱向振動(dòng)將在立柱中產(chǎn)生水平力,從而在立柱底產(chǎn)生彎矩, 而立柱與拱肋為剛接,柱底彎矩必然會(huì)對(duì)拱肋的彎矩和軸力產(chǎn)生影響。在立柱處,最大軸力分布均出現(xiàn)突變,但不如彎矩表現(xiàn)得明顯。由于各立柱水平力的分配依賴于立柱的線剛度,靠近拱頂?shù)牧⒅^拱腳附近立柱的線剛度要大得多, 分配到的水平力也大得多, 故雖然其長度較小,但彎矩較大。計(jì)算表明拱頂立柱的柱底彎矩達(dá)7 .5 MN·m ,而1 號(hào)柱底彎矩僅為1 .5MN·m ,因此,拱頂附近的面內(nèi)彎矩峰值比拱腳附近要明顯。上述分析結(jié)果表明,上承式橋面的縱向振動(dòng)對(duì)拱肋內(nèi)力有一定影響,且是不利的, 而中承式橋面由于采用漂浮式, 縱向約束被放松, 其縱向振動(dòng)對(duì)拱肋的影響要小得多。

在縱 豎激勵(lì)作用下,上弦各截面的內(nèi)力均較縱向激勵(lì)時(shí)有不同程度的增大,其中以拱頂附近的增幅最大, 軸力增幅達(dá)6.7 MN, 而拱腳增幅僅為1 .7MN ,其原因在于在豎向激勵(lì)使對(duì)稱振型被激發(fā),而在縱向激勵(lì)作用下則只有反對(duì)稱振型被激發(fā)。正是由于對(duì)稱振型的貢獻(xiàn),使得拱頂軸力和彎矩大幅度增加。

在三維激勵(lì)作用下, 上承式拱橋拱肋各截面的軸力和彎矩均較縱 豎激勵(lì)時(shí)有所增大,其中以拱腳增幅最大,這表明橫向激勵(lì)對(duì)拱肋軸力也有較大貢獻(xiàn)。這是由于無鉸拱的拱圈在橫向上的受力特性類似于一個(gè)兩端與地基剛接的剛架, 當(dāng)拱肋在橫向激勵(lì)作用下發(fā)生側(cè)傾變形時(shí),一方面將在拱肋中產(chǎn)生面外彎矩, 同時(shí)還將產(chǎn)生軸力, 拱腳位于剛架的固定端,故其軸力增幅最大。這里需討論的是, 在三維激勵(lì)作用下, 上承式拱橋的軸力和面外彎矩分布情況與中承式拱橋的分布情況有較大不同,中承式拱橋在橫撐處無論是軸力還是彎矩均出現(xiàn)較大的峰值,而從圖5看,上承式拱橋則無此現(xiàn)象。這是由于中承式拱橋橫向連接系的布置受行車凈空的限制,一般采用數(shù)量較少但剛度較大的橫撐作為橫向連接系,在橫撐處拱肋的面外轉(zhuǎn)動(dòng)受到較大的約束, 從而在橫撐處出現(xiàn)軸力和彎矩峰值,而上承式拱橋一般采用密布橫向連接系, 橫向連接構(gòu)件的剛度不大,且為連續(xù)布置,這樣,拱肋的面外轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)在橫撐處受到強(qiáng)大的集中約束, 也就避免了在橫撐處出現(xiàn)軸力和面外彎矩的峰值。

從計(jì)算結(jié)果看, 在三維激勵(lì)作用下, 上承式拱橋其最大面外彎矩出現(xiàn)在拱腳,而中承式拱橋則出現(xiàn)在端橫撐處(橋面與拱肋相交位置), 且該處的面外彎矩比拱肋其余位置要大得多。這是由于中承式拱橋橋面的橫向位移主要由立柱上的支座約束,吊桿不能提供橫向約束, 橋面的橫向受力類似于中跨比邊跨大得多的連續(xù)梁,這使得橋面與拱肋相交位置處的支座承受的橫向水平力較其他支座要大得多, 且拱肋在該位置得轉(zhuǎn)動(dòng)受到強(qiáng)大的端橫撐的約束,因此,在該處出現(xiàn)了較大的面外彎矩峰值。而上承式拱橋的橋面在每一立柱處其橫向位移均受到約束, 橫向受力類似于一等跨的連續(xù)梁, 支座的橫向水平力分布較中承式拱橋要均勻得多,水平力的數(shù)值也就小得多, 這對(duì)減小拱肋的面外彎矩?zé)o疑是有利的。

2 .2 支座布置形式的影響

支座布置方式對(duì)拱肋的內(nèi)力響應(yīng)有較大影響,放松4～12 號(hào)立柱的順橋向約束后,拱腳軸力減小了17 %左右,在l/4附近也有明顯減小, 這表明放松部分橋面支座的順橋向約束可有效減小拱肋的地震內(nèi)力, 換言之,在立柱頂全部采用固定支座,對(duì)于抗震來說有其不利的一面,其原因可從能量守恒的角度加以解釋。在地震中,輸入結(jié)構(gòu)的能量一部分將轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的變形能, 而另一部分則轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的動(dòng)能, 可能危及結(jié)構(gòu)安全的是結(jié)構(gòu)的變形能。結(jié)構(gòu)變形能越大,則結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力越大。長度較短的立柱線剛度較大, 對(duì)橋面順橋向位移的約束較強(qiáng), 放松這些立柱對(duì)橋面的順橋向約束后,橋面位移有較明顯的增大。工況3 橋面的順橋向位移為96 mm ,工況4 的橋面位移則增大到117 mm ,較大的橋面位移意味著有更多的能量耗散于橋面運(yùn)動(dòng),更多的能量轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的動(dòng)能。一次地震輸入到結(jié)構(gòu)中的能量是一定的,結(jié)構(gòu)動(dòng)能的增大意味著結(jié)構(gòu)變形能減少,因此,通過放松部分橋面支座可有效減小拱肋的地震內(nèi)力。當(dāng)然, 放松較短立柱的順橋向約束后,將使較高立柱的彎矩有所增大, 例如3號(hào)立柱柱底的彎矩由1 .69 MN·m ,增至3 .51 MN·m ,但仍遠(yuǎn)小于全部采用固定支座時(shí)的立柱最大彎矩7 .50 MN·m ,因此,放松較短立柱的順橋向約束, 并不會(huì)過大地增大立柱的負(fù)擔(dān), 最大彎矩反而有所減小。

2 .3 多點(diǎn)激勵(lì)作用下的響應(yīng)特性

多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要包括行波效應(yīng)、部分相干效應(yīng)和局部場地效應(yīng)3 個(gè)方面,文獻(xiàn)[6]的研究表明,對(duì)于大跨度拱橋,行波效應(yīng)的影響是最主要的,為此,這里將僅探討行波效應(yīng)對(duì)上承式鋼桁拱橋的影響。行波激勵(lì)作用下拱肋各截面的內(nèi)力均有不同程度的增加,這表明多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)上承式鋼桁拱橋產(chǎn)生較大的不利影響,是此類橋梁地震響應(yīng)計(jì)算中應(yīng)考慮的因素。其原因在于同步激勵(lì)作用下由于結(jié)構(gòu)物理和幾何性質(zhì)基本對(duì)稱,僅反對(duì)稱振型被激發(fā), 而在行波激勵(lì)作用下則對(duì)稱振型和反對(duì)稱振型均被激發(fā)。行波激勵(lì)對(duì)不同拱肋截面的影響有較大不同, 其中以拱頂附近的變化最為明顯, 而對(duì)l/8附近的影響則相對(duì)較小, 拱腳附近也有較大的增長, 波速為1 km/s 時(shí),拱腳軸力的增幅達(dá)67 %。分析結(jié)果表明, 拱腳截面是上承式拱橋抗震的薄弱環(huán)節(jié),行波激勵(lì)對(duì)拱腳截面的不利影響在設(shè)計(jì)中值得重視。從圖7 還可看出,視波速對(duì)拱肋的內(nèi)力響應(yīng)有較大影響, 隨著視波速的增大, 拱肋內(nèi)力有逐漸減小的趨勢。以拱腳截面為例, 視波速為500 m/s時(shí)的軸力比1 km/s 時(shí)增大了25 %,其原因在于,行波效應(yīng)是各支點(diǎn)激勵(lì)間的相位差導(dǎo)致的, 波速越小, 各支點(diǎn)間的相位差越大, 行波效應(yīng)就越明顯。

上承式橋是指橋面布置在主要承重結(jié)構(gòu)之上的橋梁。構(gòu)造簡單，施工方便，承重結(jié)構(gòu)的寬度較小,且主梁或拱肋的間距可按需調(diào)整，因而可節(jié)約墩臺(tái)場工數(shù)量，以求得經(jīng)濟(jì)合理的布置。此外，在上承式橋上行車時(shí)，視野開闊，感覺舒適，特別適合于城市橋梁，但是，上承式橋的建筑高度包含了主梁高度，一般來說建筑高度較大，會(huì)使兩岸引道加長而增加工程數(shù)量。

支承上部結(jié)構(gòu)并將恒載和活載傳至地基的結(jié)構(gòu)物。由支座、橋墩或橋臺(tái)和基礎(chǔ)等幾個(gè)部分組成。支座是上部結(jié)構(gòu)與橋墩或橋臺(tái)直接接觸處所設(shè)置的傳力裝置，它不僅要傳遞很大的荷載,而且還要保證上部結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一定的變形。橋墩的作用是支承相鄰兩跨上部結(jié)構(gòu)，橋臺(tái)通常設(shè)置在全橋兩端,它除了支承邊跨上部結(jié)構(gòu)之外，還與路堤相銜接，以抵御路堤土壓力，防止填土滑坡和坍落。橋墩和橋臺(tái)底部，埋入土層中，并使全部荷載傳至地基的部分，稱為基礎(chǔ)。由于基礎(chǔ)往往深埋于土層之中，有時(shí)還需水下施工，因而成為整個(gè)橋梁施工中比較困難的部分。

使得橋梁的建筑高度等于或略大于橋面結(jié)構(gòu)高度，從而大幅度降低建筑髙度。在鐵路橋梁中，由于受縱坡限制，為了避免過高的路堤和過長的引橋，大量采用下承式鋼橋。但是對(duì)于城市橋梁，只有在橋面標(biāo)高不允許過分抬高時(shí)，才考慮采用下承式橋。2100433B

主梁是上部結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件;橫梁是主梁共同受力的重要構(gòu)件，引車道板組成行車平面,并承受車輛荷載的局部作用，橋面系是整個(gè)橋梁直接使用部分，共系引橋梁的運(yùn)行效果。2100433B