梁拱组合协作体系的地震分析

梁田

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

梁拱组合协作体系的地震分析

梁田

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

梁拱组合协作体系为连续结构和装饰拱共同组成的结构。连续结构和拱肋都各自有着自己的下部结构，但两者又通过吊杆相互联系，相互协作。现对此种结构作一模态分析，得到前六项结构周期。同时分析在地震作用下的拱肋应力、变形、基础受力及连续结构中桥墩的地震水平力，并与仅建立连续结构的单梁模型进行比较，从而对今后的梁拱组合协作体系的地震分析有一定的参考借鉴意义。

梁拱组合协作；单梁模型；地震效应；拱肋

1 概述

根据编制方案的单位提供的最终效果图及图纸，某大跨度梁拱组合协作体系总长520 m，其中车行桥跨径布置为（4×40）+（60+80+60）+（4×40）=520（m）。中央（60+80+60）m采用变高度预应力连续梁，中支点梁高4.8m，跨中和边支点梁高2.3m；两侧4×40 m采用等高度预应力连续梁，梁高2.3 m；车行桥标准段全宽20.5 m，其中功能宽度18.5 m，两侧各1 m为吊索区，跨海段车行桥总面积10 660m2。拱肋跨径组合（79+80+200+80+79）m，沿主拱中心对称。主拱边拱均采用提篮拱的结构形式，由拱脚至拱顶向内侧倾斜，拱轴线与水平面夹角呈76.7°，拱脚水平距离35.0 m主桥外侧的装饰连拱跨径布置为：（80+80+200+80+80=520）m，200 m中跨拱高约64.7 m（见图1）。

2 结构计算模型

为更好地研究梁拱组合协作在地震效应下的力学特性，用M ID AS建立动力分析模型。在动力分析模型中，采用空间三维梁单元模拟主梁、桥墩和承台，对一片主梁进行建模；考虑桩土相互作用，群桩基础采用6×6的弹簧（一般弹性支承）来模拟其刚度；在模态分析和线性分析中，采用弹性连接模拟球钢支座连接，约束方向与实际桥梁的约束方向相同，支座在模态分析和线性分析有限元模型中采用弹性连接模拟，连续梁采用单梁模拟混凝土箱梁，横向2个球钢支座（见图2）。

同时，去掉拱肋和吊杆部分，建立单梁模型（见图3），仅计算单梁的地震效应，两者进行比较。

3 模态分析

按上述梁拱组合协作体系的计算模型，采用M ID AS对该桥进行模态分析，得到前6阶自振频率及相应振型计算结果，见表1所列及图4、图5所示。

从以上的模态分析结果可以看出：

（1）从第一阶，第二阶振型图中可以看出，基本只有纵梁在发生纵向振动时，且组合协作体系的前两阶周期完全相同。而中跨发生主要纵向振动时，组合协作体系的周期比单梁体系小0.74%，基本属于误差范围内，因此可以认为单梁和组合协作体系的纵向振动的基频和变形基本一致。

（2）在组合协作体系中，第三阶、第五阶就出现了拱肋的横向振动，而此时主梁并未发生横向振动，这说明拱肋的横向刚度远远小于主梁的横向刚度。

（3）比较主梁横向振动时的频率，组合协作体系的主梁横向变形时频率为0.684 s，单梁横向变形时频率为0.738s。横向变形相同，组合协作体系的频率为单梁的93%，略微不同。

4 地震效应分析

该项目查特征周期T g=0.4 s，桥址处的地震动峰值加速度为0.1 g（基本烈度7度）（按照《城市桥梁抗震设计规范（C JJ166-2011）》、《中国地震动参数区划图（G B18306-2001）》及《建筑抗震设计规范（G B50011-2010）》中某市的相关规定确定），主桥抗震设防类别为丁类，引桥抗震设防类别为丁类。

图1 梁拱组合协作体系立面布置图

图2 梁拱组合协作体系计算模型

图3 单梁计算模型

表1 桥梁模态分析一览表

图4 梁拱组合协作体系模态分析图

图5 单梁模型模态分析图

按照《城市桥梁抗震设计规范（C JJ166-2011）》第3.3.2条，该桥的抗震设计方法为B类。因此，对该桥进行E1地震作用下的抗震分析和抗震验算，取第5.2.1条的反应谱曲线对该桥作反应谱分析（见图6）。

图6 反应谱

4.1 拱肋基础地震效应

用M ID AS C i v i l对该桥作E1纵向和横向地震分析，主拱肋和副拱肋处的基础受力如表2所列。

表2 拱脚基础地震效应一览表

从表2可知，拱脚基础的地震效应较小，桩基均能满足地基要求和强度要求。

4.2 拱肋位移及内力地震效应

取主拱肋的跨中、L/4和支点处断面的内力和位移值，如表3、表4所列。

表3 拱肋各断面处纵向地震效应一览表

表4 拱肋各断面处横向地震效应一览表

由表3、表4可得，拱肋处各断面的地震效应较小，截面应力基本没有太大变化，拱肋位移均能满足正常使用需要。

4.3 主梁处桥墩地震效应

从M ID AS提取主梁下固定墩墩底的地震效应，现均以中跨中间墩为研究对象，如表5、表6所列。

表5 主梁固定墩纵向地震效应一览表

由表5、表6的地震分析比较可以得出：

（1）组合协作体系中拱肋的变形和应力在地震作用下影响较小。

（2）在组合协作体系与单梁计算的比较中，可以看到：在纵向地震效应中，组合协作体系的墩底水平力仅比单梁计算的多3%；在横向地震效应中，组合协作体系的墩底水平力仅比单梁计算的少2%，产生的效应差值均在5%以内，满足精度要求。

表6 主梁桥墩横向地震效应一览表

（3）拱肋的地震效应很小，这主要是由于拱肋较轻，自身产生的地震力较小。同时拱肋和主梁仅通过吊杆连接，两者为相互独立的系统,相互影响较小。

5 结论

通过以上分析，可以得出以下结论：

（1）该桥为梁拱组合协作体系，两者的地震效应相互独立，不产生共同作用。

（2）梁拱组合协作体系和单梁模型中的连续梁结构基频、周期几乎相等，模态形式也完全相同，从上可以看出两者建模中连续梁结构模态分析结果相同。

（3）梁拱组合协作体系中，拱肋的应力、变形和基础受力相对于使用阶段来说都非常小。因此该类桥型可不对拱肋进行地震分析。

（4）在梁拱组合协作体系和单梁模型中，连续结构的桥墩水平地震力相差均在5%以内，可认为建立单梁模型来确认该类桥型的地震效应是合理的。

（5）在梁拱组合协作体系和单梁模型中，连续结构的桥墩水平地震力相差均在5%以内，可认为建立单梁模型来确认该类桥型的地震效应是合理的。

深茂铁路茂名段冲刺阶段江门至茂名段明年6月通车

深茂铁路东起深圳北站，途经深圳、东莞、广州（南沙）、中山、江门、阳江，终点为茂名东站，设计时速200 km/h，正线全长388km。线路建成后，广州与茂名之间的铁路运行时间将由5 h缩短至2.5 h左右，深圳至茂名将由原来的近7 h缩短至3 h以内，从而极大改善粤西的区位优势。

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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，浙江绍兴人，硕士，工程师，从事桥梁工程设计研究工作。