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 建立該橋的空間結構有限元分析模型，重點分析了結構在縱向、橫向以及豎向為主地震作用下的地震響應，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。實驗結果顯示：扣塔在發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；橋梁主體材料在發生地震時產生了超限結構位移。

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，該橋按四線設計，線間距均為5 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數為2.0，拱肋內傾角為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，而聯結系以及拱上立柱則采用Q345q 鋼板，橋面主梁使用的是14 跨鋼-混結合梁，交界墩采用的是C40 混凝土。采用固結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 階頻率及周期表數據。由于大跨度鋼桁架拱橋具有結構復雜、橫豎向剛度相對較弱的特點，在不同的振動頻率下，全橋結構所表現出來的振型的主要特征是不同的。在20 階振型中，有11 階的振型為結構橫向彎曲，3 階振型結構為豎向振動，6 階振型結構為墩柱的縱向彎曲[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 發生概率約在2%的罕遇地震波作為輸入因子（見圖2），設計地震波加速峰值為0.42g，持續時長為40 s。在綜合參考各種規范的要求之后，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取：

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 輸出結果

5.1 施工階段橋梁自振特性分析

本文在保證橋梁結構在3 個方向上振型參與度在90%以上的基礎上，得出了在橋梁建設過程中懸臂施工階段以及拱圈合龍階段前5 階振型的計算結果，見表1、表2。

表1 懸臂施工階段結構自振特性

表2 拱圈合龍階段結構自振特性

計算結果表明，處于最大懸臂階段時，橋梁結構的前2 階振型都為結構扭轉，其中，扭轉和橫彎出現的頻率最高。在對結構振型特性進行分析、研究后可以得出，在主拱進行合龍之后，結構扭轉不會再出現于低階振型中，反而是橫向振動出現的頻率最高，這表明主拱合龍對于結構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結果分析

橋梁進行最大懸臂施工時。從計算結果可以得出以下結論：

1）上弦桿最大應力為133 MPa，下弦桿最大應力為-128 MPa，扣塔最大應力為145 MPa。3 個位置最大應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力均出現在1/4 跨附近，扣塔最大應力則出現在塔底。

2）在地震作用下，弦桿應力會出現明顯的增加，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。研究還發現，在不同地震載荷作用下，上弦桿、下弦桿以及扣塔應力變化規律基本是相同的[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的最大縱向位移差為131.8 mm。塔墩固結，但橋墩沒有固結從而導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，其最大拉應力為-6.6 MPa，超過了混凝土極限抗拉強度2.25 MPa。因此，在發生地震時，交界墩出現垮塌的可能性較大。

5.3 主拱合龍施工階段地震響應結果分析

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

2）在地震作用下，弦桿應力會明顯地變強，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力有所降低，下弦桿應力升高，這表明，橋梁整體結構受力更加均勻、合理主要得益于主拱合龍對橋梁結構內部的剛度進行了優化，從而其可以更加均勻地承擔地震作用力[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，橋梁結構的縱向剛度有所加強，縱向變形則相應地有所減少，從而降低了地震作用力對扣塔的影響[6]。

6 結論

6.1 合龍能夠改善橋梁結構抗扭能力

在進行橋梁懸臂結構施工的過程中，橋梁的扭轉剛度以及橫向剛度均較低，且在低階振型下扭轉率較高，因此，橋梁結構容易出現扭轉變形的情況。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構的抗扭轉性能。

6.2 橫向纜風鎖可增加穩定性

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較大的位移，因此，可以在施工中增加橫向纜風索，以保證橋梁的橫向穩定性。

6.3 加強扣塔下部桿件設計

扣塔在以橫向載荷為主的地震作用下應力響應與位移響應都比弦桿明顯，在以縱向載荷為主的地震作用下，扣塔的應力響應能力較為突出；在以橫向載荷為主的地震作用下，扣塔的位移響應能力較為突出。結合實際施工情況，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計的措施來保證其穩定性。

6.4 主拱合龍有助于優化橋梁內部剛度分配

實驗結果表明，主拱合龍能在很大程度上優化橋梁結構內部材料的剛度，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構的縱向抗震性能，從而可以在一定程度上增強扣塔的縱向抗震性能。