梁拱組合協作體系的地震分析

梁田

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

梁拱組合協作體系的地震分析

梁田

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

梁拱組合協作體系為連續結構和裝飾拱共同組成的結構。連續結構和拱肋都各自有著自己的下部結構，但兩者又通過吊桿相互聯系，相互協作。現對此種結構作一模態分析，得到前六項結構周期。同時分析在地震作用下的拱肋應力、變形、基礎受力及連續結構中橋墩的地震水平力，并與僅建立連續結構的單梁模型進行比較，從而對今后的梁拱組合協作體系的地震分析有一定的參考借鑒意義。

梁拱組合協作；單梁模型；地震效應；拱肋

1 概述

根據編制方案的單位提供的最終效果圖及圖紙，某大跨度梁拱組合協作體系總長520 m，其中車行橋跨徑布置為（4×40）+（60+80+60）+（4×40）=520（m）。中央（60+80+60）m采用變高度預應力連續梁，中支點梁高4.8m，跨中和邊支點梁高2.3m；兩側4×40 m采用等高度預應力連續梁，梁高2.3 m；車行橋標準段全寬20.5 m，其中功能寬度18.5 m，兩側各1 m為吊索區，跨海段車行橋總面積10 660m2。拱肋跨徑組合（79+80+200+80+79）m，沿主拱中心對稱。主拱邊拱均采用提籃拱的結構形式，由拱腳至拱頂向內側傾斜，拱軸線與水平面夾角呈76.7°，拱腳水平距離35.0 m主橋外側的裝飾連拱跨徑布置為：（80+80+200+80+80=520）m，200 m中跨拱高約64.7 m（見圖1）。

2 結構計算模型

為更好地研究梁拱組合協作在地震效應下的力學特性，用M ID AS建立動力分析模型。在動力分析模型中，采用空間三維梁單元模擬主梁、橋墩和承臺，對一片主梁進行建模；考慮樁土相互作用，群樁基礎采用6×6的彈簧（一般彈性支承）來模擬其剛度；在模態分析和線性分析中，采用彈性連接模擬球鋼支座連接，約束方向與實際橋梁的約束方向相同，支座在模態分析和線性分析有限元模型中采用彈性連接模擬，連續梁采用單梁模擬混凝土箱梁，橫向2個球鋼支座（見圖2）。

同時，去掉拱肋和吊桿部分，建立單梁模型（見圖3），僅計算單梁的地震效應，兩者進行比較。

3 模態分析

按上述梁拱組合協作體系的計算模型，采用M ID AS對該橋進行模態分析，得到前6階自振頻率及相應振型計算結果，見表1所列及圖4、圖5所示。

從以上的模態分析結果可以看出：

（1）從第一階，第二階振型圖中可以看出，基本只有縱梁在發生縱向振動時，且組合協作體系的前兩階周期完全相同。而中跨發生主要縱向振動時，組合協作體系的周期比單梁體系小0.74%，基本屬于誤差范圍內，因此可以認為單梁和組合協作體系的縱向振動的基頻和變形基本一致。

（2）在組合協作體系中，第三階、第五階就出現了拱肋的橫向振動，而此時主梁并未發生橫向振動，這說明拱肋的橫向剛度遠遠小于主梁的橫向剛度。

（3）比較主梁橫向振動時的頻率，組合協作體系的主梁橫向變形時頻率為0.684 s，單梁橫向變形時頻率為0.738s。橫向變形相同，組合協作體系的頻率為單梁的93%，略微不同。

4 地震效應分析

該項目查特征周期T g=0.4 s，橋址處的地震動峰值加速度為0.1 g（基本烈度7度）（按照《城市橋梁抗震設計規范（C JJ166-2011）》、《中國地震動參數區劃圖（G B18306-2001）》及《建筑抗震設計規范（G B50011-2010）》中某市的相關規定確定），主橋抗震設防類別為丁類，引橋抗震設防類別為丁類。

圖1 梁拱組合協作體系立面布置圖

圖2 梁拱組合協作體系計算模型

圖3 單梁計算模型

表1 橋梁模態分析一覽表

圖4 梁拱組合協作體系模態分析圖

圖5 單梁模型模態分析圖

按照《城市橋梁抗震設計規范（C JJ166-2011）》第3.3.2條，該橋的抗震設計方法為B類。因此，對該橋進行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗算，取第5.2.1條的反應譜曲線對該橋作反應譜分析（見圖6）。

圖6 反應譜

4.1 拱肋基礎地震效應

用M ID AS C i v i l對該橋作E1縱向和橫向地震分析，主拱肋和副拱肋處的基礎受力如表2所列。

表2 拱腳基礎地震效應一覽表

從表2可知，拱腳基礎的地震效應較小，樁基均能滿足地基要求和強度要求。

4.2 拱肋位移及內力地震效應

取主拱肋的跨中、L/4和支點處斷面的內力和位移值，如表3、表4所列。

表3 拱肋各斷面處縱向地震效應一覽表

表4 拱肋各斷面處橫向地震效應一覽表

由表3、表4可得，拱肋處各斷面的地震效應較小，截面應力基本沒有太大變化，拱肋位移均能滿足正常使用需要。

4.3 主梁處橋墩地震效應

從M ID AS提取主梁下固定墩墩底的地震效應，現均以中跨中間墩為研究對象，如表5、表6所列。

表5 主梁固定墩縱向地震效應一覽表

由表5、表6的地震分析比較可以得出：

（1）組合協作體系中拱肋的變形和應力在地震作用下影響較小。

（2）在組合協作體系與單梁計算的比較中，可以看到：在縱向地震效應中，組合協作體系的墩底水平力僅比單梁計算的多3%；在橫向地震效應中，組合協作體系的墩底水平力僅比單梁計算的少2%，產生的效應差值均在5%以內，滿足精度要求。

表6 主梁橋墩橫向地震效應一覽表

（3）拱肋的地震效應很小，這主要是由于拱肋較輕，自身產生的地震力較小。同時拱肋和主梁僅通過吊桿連接，兩者為相互獨立的系統,相互影響較小。

5 結論

通過以上分析，可以得出以下結論：

（1）該橋為梁拱組合協作體系，兩者的地震效應相互獨立，不產生共同作用。

（2）梁拱組合協作體系和單梁模型中的連續梁結構基頻、周期幾乎相等，模態形式也完全相同，從上可以看出兩者建模中連續梁結構模態分析結果相同。

（3）梁拱組合協作體系中，拱肋的應力、變形和基礎受力相對于使用階段來說都非常小。因此該類橋型可不對拱肋進行地震分析。

（4）在梁拱組合協作體系和單梁模型中，連續結構的橋墩水平地震力相差均在5%以內，可認為建立單梁模型來確認該類橋型的地震效應是合理的。

（5）在梁拱組合協作體系和單梁模型中，連續結構的橋墩水平地震力相差均在5%以內，可認為建立單梁模型來確認該類橋型的地震效應是合理的。

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U448.2

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1009-7716（2017）06-0129-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.037

2017-02-22

梁田（1984-），女，浙江紹興人，碩士，工程師，從事橋梁工程設計研究工作。