某三跨钢箱梁提篮拱静力及动力地震响应分析

(天津铁道职业技术学院，天津 300240)

1 工程概况

梅林大桥项目位于宜兴市东氿湖畔大溪路上，跨越大溪河，是连接东氿水城与大溪河南岸的重要桥梁。梅林大桥工程范围北起伏溪路路口，南至大溪河南岸规划教育东路路口，桩号范围为K0-35.351～K0+674.614，全长709.965m。

梅林大桥为三跨连续梁拱组合体系全钢结构桥梁，跨径布置为：66+168+66=300m，其中拱肋只布置在中跨，失跨比为1/5.25，拱肋采用钢箱断面。

1.1 主梁

主梁为全钢结构，边跨采用钢箱主梁形式，其顶板全宽25.729m，底板宽27.06m。梁高2.5m，中墩处加高至4m。中梁底板厚30，边梁底板厚12mm；中跨顶板全宽25.52m，底板宽26.5m，梁高2m。顶板厚14mm，车行道部分采用U形加劲肋，其余部分均采用板式加劲肋。

1.2 拱肋

拱肋采用双片拱肋，提篮拱形式，拱脚布置在桥宽两端，为钢箱断面，宽度为2.1m，高度从拱顶的2.4m到拱脚的4.5m。顶、底板厚从拱顶20mm变化到30mm，腹板从拱顶的20mm变化到30mm，纵向设板式加劲肋；横隔板采用大开洞形式，间距3m左右。

1.3 吊杆

吊杆采用平行钢丝索，、全桥共46根吊杆，索安全系数为大于3。

1.4 下部结构

桥墩采用棱台形桥墩，上窄下宽，墩顶尺寸为4m×3m，墩底尺寸为7.3m×5.1m，墩高3.947m。承台厚2.5m，采用C30砼，设10cm厚C15素混凝土垫层。基础采用3×2排1.5m直径钻孔灌注嵌岩桩，全桥共24根，采用C30水下砼。桩端持力层为地质报告建议的第⑧2层(中风化砾岩)桩长约40m，桩底进入持力层不小于1m。

桥台为实体台身，翼墙长0.9m，后接6m长挡土墙。承台厚2m，采用C30砼，设10cm厚C15素混凝土垫层。桥台基础采用直径1.2m钻孔灌注嵌岩桩，双排桩布置，每排5根，全桥共20根，采用C30水下砼。桩端持力层为地质报告建议的第⑧2层(中风化砾岩)，桩长约40m，桩底进入持力层不小于1m。

1.5 支座

采用盆式橡胶支座，满足规范《公路桥梁盆式橡胶支座》(JT391-1999)要求。每个桥墩横桥向为两个。固定墩设一个固定支座GPZ(III)25GD，一个单向滑动支座(GPZ(III)25DX横向放置；活动墩设一个单向滑动支座GPZ(III)25DX和一个双向滑动支座GPZ(II)25SX纵桥向放置；两个桥台上各设一单向滑动支座GPZ(II)3.5DX纵桥向放置，四个双向滑动支座GPZ(II)3.5SX纵桥向放置。

1.6 伸缩缝

A0桥台处设置120型梳齿伸缩缝；A3桥台处设置240型梳齿伸缩缝。伸缩缝须满足规范《公路桥梁伸缩装置》(JT-T 327-2004)的要求。

1.7 抗震措施

主梁与桥台、桥墩之间横向设置抗震挡块，均为钢挡块，焊接于主梁底；纵向在两个桥墩处设置挡块，距支座垫块侧面均为200mm。桥台背墙及纵向抗震挡块上均设置橡胶缓冲垫块。全桥布置图如图1所示：

图1 全桥布置图

2 技术标准

设计标准断面：道路标准横断面：2.5m(人行道)+ 15m(车行道)+ 2.5m(人行道)=20m；桥梁断面：中跨：1.76m(吊杆区)+3.5m(人行道)+15m(车行道)+3.5m(人行道)+1.76m(吊杆区)=25.52m；边跨：5.364m(人行道)+15m(车行道)+5.364m(人行道)=25.729m；

百年一遇洪水位：3.41m；常水位：1.31m；

桥上净空：机动车道不小于5m；人行道不小于2.5m；

桥梁结构设计安全等级：I级；

桥梁设计基准期：100年；路面结构设计使用年限为15年；

综合管线：中小管线；

环境类别：I类；

抗震设防烈度6度，地震动峰值加速度为0.05g；抗震设防类别为A类，抗震设防措施等级为7度；

设计基本风速：28.6m/s(百年一遇)。

3 设计荷载

一期恒载：结构自重；

二期恒载：桥面铺装、栏杆、管线、人行道等；

汽车活载：公路I级，按4车道加载；横向折减系数按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)取值。并与非机动车道按人群加载进行比较，取不利者；

人群活载：按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)取值为3.5kN/m2；

满人活载：人群荷载集度取4kN/m2；

温度荷载：体系升降温：设计基准温度取10～20℃，体系升温按46℃考虑，体系降温-29℃考虑；

钢箱梁截面非线性温差：正温差取24℃，负温差-6℃，梯度变化参考BS5400规范取值；钢拱肋截面按温差10度的梯度计算；

风载：桥位处10m高处100年一遇设计基本风速为28.6m/s，基本风压0.5kN/m2；

支座不均匀沉降：取2cm；

抗震验算烈度6度，地震动加速度峰值0.05g。

荷载组合：

组合一：恒载+活载；

组合二：恒载+活载+支座沉降+温度+风荷载。

4 模型概况

采用Midas Civil 2006 V7.4.1桥梁结构专用有限元分析软件对该桥的进行有限元建模，节点3164个，单元3100个，承台与桩基础用刚性连接模拟。其中，模型中边跨钢箱梁划分成多主梁形式计算，分别为边主梁和中主梁。

5 总体静力计算

总体静力分析共分成2个组合工况进行静力计算，(组合一：恒载+活载；组合二：恒载+活载+支座沉降+温度+风荷载)，分别计算了在两工况下支座反力、吊杆索力及主梁、拱肋挠度。工况和计算结果如表1～2所示。

表1 桥台支座反力汇总 (单位kN)

由上表可知，本桥选用支座承载力满足受力要求。

表2 竖向位移包络图 (单位mm)

主梁活载挠度为汽车荷载(不计冲击力)和人群荷载正负挠度的最大绝对值之和，从上表可知，刚度满足《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025-86)第1.1.5条的要求，竖向挠度不得超过L/600。

6 动力特性分析

采用Lanczos法对全桥模型分析了结构动力特性，表4分别列出了模型的前5阶自振频率和振型的主要特征。第一阶是拱、梁面内反对称竖弯(f=0.75 ,T=1.34)，第二阶是拱面外对称侧弯(f=1.02 ,T=0.98)，第三阶是拱、梁面内对称竖弯(f=1.28 ,T=0.78)，第四阶是拱面外反对称侧弯(f=1.29 ,T=0.78)，第五阶是拱、梁面外拱和梁反方向对称侧(f=1.39 ,T=0.72) 动力特性结果表明：前5阶中拱肋横向侧弯占到60%，并且在第二阶中就出现拱肋侧弯，说明拱肋横向刚度较小，在抗震设计时要注意。

7 地震响应分析

宜兴地震受无锡-崇明大断裂控制，受茅山断裂带(溧阳境内断层)活动的波及影响。

根据交通部标准《公路工程抗震设计规范》 (JTJ004-89)及《中国地震动参数区划图》(2001版)，本区地震基本烈度为6度。

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)第4.3.1条，对④粉土层可不进行液化判别。

本次勘察在 SK1、XK9孔内进行了波速测试，两孔等效剪切波速分别为161.9m/s、227.2m/s。

根据本次勘察资料，本场区覆盖层厚度小于50米，故依据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)中表4.1.8，判定本桥梁工程场地类别为Ⅱ类。按《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)第5.2.3条，设计加速度反应谱特征周期取值为0.35S。

7.1 地震动参数

根据工程概况资料并结合2008版《公路桥梁抗震设计细则》及2011版《城市桥梁抗震设计规范》，桥位处场地抗震设防烈度为6度，重要性系数Ci(E1)1.0，重要性系数Ci(E2)1.7，放大系数B取2.25，场地系数Cs取1.0，水平向设计基本地震加速度峰值为0.05g，桥梁分类为A类，由于场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0.35s，动力分析取前30阶。结构阻尼比为ξ=0.02，则：

根据《公路桥梁抗震设计细则》规定，A类桥梁必须进行E1地震作用和E2地震作用下的抗震设计，考虑地震不同方向输入的影响，计算中分别考虑6个工况，分别是E1纵、E1横、E1竖、E2纵、E2横、E2竖，并与恒载进行不同组合。

7.2 反应谱曲线

E2地震作用下水平设计加速度反应谱最大值为：

Smax=2.25×CiCsCdA=0.2523gm/s2

(1)

式(1)中，Ci=1.7为抗震重要性系数，Cs=1.0为场地系数，Cd=1.319为阻尼调整系数，A =0.05g为水平向设计基本地震加速度峰值。

水平设计加速度反应谱曲线由下式确定：

(2)

式(2)中，Sa(T)为水平设计加速度反应谱，T为结构自振周期，Tg为特征周期。水平向设计加速度反应谱如图4所示。竖向地震动加速度峰值取为水平地震动加速度峰值的0.5倍。

E1反应谱曲线与E2求法一致，故不详叙。反应谱曲线如下图3所示

7.3 反应谱计算结果

(1)支座反力结果

在以下组合工况的激励下，通过反应谱分析，得出各支座反力的最大、最小值，数据如下表所示：

表3 支座反力结果

注：括号内为竖向反力最小值，括号外为最大值。

结果表明：

在组合作用下，支座不会脱空，且竖向反力的最大绝对值均在设计支座承载力容许范围内。结构安全。

地震波对制动墩上固定支座的影响，横桥向要远大于纵桥向，这与横桥向结构刚度较小有关。

(2)承台底反力结果

在以下组合工况的激励下，通过反应谱分析，得出控制截面承台底处的最大内力值，数据如下表所示：

表4 承台底内力结果

注：括号内为竖向反力最小值，括号外为最大值。

结果表明：

在组合作用下，承台底没有竖向拉力产生；

地震力对竖向反力的影响不大，但能产生较大的水平内力和弯矩，特别是纵桥向地震波主要对纵桥向水平力和弯矩影响较大，对横桥向影响但不大，但横向地震波对纵桥向和横桥向内力影响都较大。在抗震设计时要特别注意。

8 结论

其一，本桥为三跨连续下承式梁拱组合体系全钢结构提篮拱桥，拱肋向桥中心倾斜15.452度，本文通过E1和E2作用下的结构地震响应进行研究分析，以期给同类型桥梁抗震设计作参考。

其二，地震力对支座竖桥向反力影响不大，但对水平力影响较大，尤其是制动墩上的固定支座影响较大。

其三，地震力对承台底竖桥向内力影响不大，但对水平内力(横桥向和顺桥向)影响较大，对承台底处产生的弯矩影响也较大。