桥面设缝对中承式三跨连拱桥动力性能影响分析

李文龙

(上海市林同炎李国豪土建工程咨询有限公司,上海 200437)

中承式拱桥桥面系根据位置不同,可分为上承部分和下承部分。上下承交接处即为拱肋与桥面系相交处,通常桥面系在此处设有伸缩缝[1]。该种常规做法使得桥面系结构较为分散,桥面系整体性能不突出。另外,桥面系伸缩缝较容易损坏,实际使用过程中车辆行车舒适性一般。伸缩缝处损坏后带来的桥面系高差还可能导致车轮荷载冲击效应明显,对结构整体性能及局部构件的疲劳性能均有不利影响。桥面系设缝位置不同对桥梁结构的影响程度并未从动力性能方面对比得到较优解。

1 工程概况

江布拉克大桥主桥采用中承式钢混叠合梁系杆钢拱桥体系,主桥跨径为30m+120m+160m+120m+30m=460m。

图1 江布拉克大桥主桥立面布置图(单位：mm)

拱肋采用钢箱结构,主拱肋内倾形成提篮拱。通过调整拱肋矢跨比,平衡拱肋间恒载水平推力。160m跨径拱肋平面内拱轴线采用二次抛物线,立面矢高52m；120m跨径拱肋平面内拱轴线采用二次抛物线,立面矢高33m。拱肋主体采用钢结构,拱脚部分采用混凝土结构。拱肋横桥向由两榀拱肋组成。拱肋截面采用钢箱形断面,160m跨径拱肋高度从拱顶3.2米渐变至拱轴线拱脚处4.5米；120m跨径拱肋高度从拱顶2.5米渐变至拱轴线拱脚处3.5米。

主桥桥面系采用钢-混凝土叠合梁,设置纵横梁上铺混凝土桥面板。道路中心线处梁高2.2m,桥面全宽35m。吊杆区域桥面系设置了两道纵梁,非吊杆区域设置了三道纵梁。横梁全桥均匀布置,吊杆区域横梁间距为5m,非吊杆区域部分横梁间距为4m。

2 计算与分析

在江布拉克大桥的设计过程中,对于桥面系设缝位置进行了对比设计。设计中对桥面系在拱梁处设缝(工况一)、拱梁处不设缝,在主桥两端设缝(工况二)两种情况进行了设计计算分析。通过对比计算结果,比较两种模式下结构动力性能的不同和优劣。

结构分析采用Midas Civil 2017有限元软件,采用梁单元模拟拱肋、桥面系纵横梁；桁架单元模拟吊杆；板单元模拟桥面板。为保证输入一致,除伸缩缝设置不同及相应的构件设计不同外,其余均相同。图2为有限元分析模型。

图2 有限元分析模型

2.1 自振特性

桥址处地震反应谱特性如下图所示。根据有限元计算结论,对比工况一(拱梁处设缝)和工况二(拱梁处不设缝)的自振特性如下表所示。

表1 自振振型对比

工况一:拱梁处设缝工况二:拱梁处不设缝振型描述振型描述第四阶振型右边跨桥面系一阶横飘桥面系二阶横飘第五阶振型左边跨桥面系一阶纵飘边拱肋一阶扭转第六阶振型右边跨桥面系一阶纵飘边拱肋一阶横飘第七阶振型主跨桥面系一阶扭转主拱肋一阶竖弯第八阶振型主拱肋一阶竖弯主拱肋一阶横向弯曲

表2 自振周期对比

表1显示,工况一(拱梁处设缝)桥面系较为零散,整体性较差；表2显示工况一(拱梁处设缝)前几阶振型周期均小于工况二(拱梁处不设缝),且振型参与质量较低。质量参与度底说明部分质量仍在更高阶但周期更短的振型中,结构地震效应将会较大。工况二(拱梁处不设缝)桥面系整体性较强,前几阶振型参与质量较高,能较为明显避开反应谱中周期较短的区域。

2.2 构件内力

结合以上分析,对两种工况下关键断面在E2作用下的内力如下表所示。

表3 E2作用下拱肋内力比较

表3清晰反映两种工况下拱肋内力情况,工况二(拱梁处不设缝)拱肋关键截面内力较之工况一(拱梁处设缝)有明显的降低,说明工况二设置下结构受力较优,在地震作用较为强烈的区域,工况二的设置较为合理。

3 结论

针对中承式拱桥桥面系设缝位置进行了动力性能方面的对比分析,结果显示,桥面系较少设缝,能有效拉长结构自振周期,降低结构地震反应,结构受力较优。在合适情况下,中承式拱桥可考虑桥面系较少设置伸缩缝,提高桥面系整体性,提升结构动力性能[2,3]。

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社,2007．

[2]戴利民.沈阳市浑河动漫桥主桥设计[A].中国土木工程学会桥梁及结构工程分会、上海市城乡建设和交通委员会.第十九届全国桥梁学术会议论文集(上册)[C].中国土木工程学会桥梁及结构工程分会、上海市城乡建设和交通委员会,2010∶6．

[3]余淑芳,袁海云.中承拱桥肋板式连续行车道系实践[J].江西建材,2009(2)：109-110．