多跨连续梁拱组合体系桥梁的抗震分析

王汪阳

摘 要：多跨梁桥和拱桥组合体系桥具有着梁桥和拱桥的双重特点，对于桥梁受力来说，采用梁拱结合桥的结构形式能够很好的增加桥梁的跨越能力，对于桥梁受力是有利的。最常用的是三跨连续组合式梁拱桥，连续梁桥的受力结构能够有效抵抗拱桥所产生的横向推力，这样就大大增加桥梁的环境适应能力。在我国目前研究中，跨径在60 m～200 m跨径的桥梁采用连续梁拱组合桥梁结构有着明显的优势，本文主要针对梁拱组合桥梁体系在地震作用下所采用的有效减震措施，抗震已损坏的特点进行重点研究，通过地震作用研究的计算理论对桥梁抗震设计提出建设性建议，为多跨连续梁拱组合桥的抗震设计提供可靠的理论依据。

关键词：多跨连续梁;拱桥;抗震分析

中图分类号：U442.55 文献标识码：A

0 引言

多跨连续梁拱组合桥梁结构形式是通过连续梁来支撑拱圈水平向推力的桥梁结构形式，梁拱组合结构梁桥在梁拱结合处采用刚接形式共同作用于支座上，连续梁纵梁起到拉杆的作用。该桥梁结构支座位置产生竖向支座反力一致，拱桥所产生的水平向推力与梁的轴线保持一致，在桥梁重力和荷载作用下连续梁产生的水平推力与拱桥的拱脚产生的水平推力形成平衡条件，从而保证桥梁产生自平衡作用，这种结构组合形式结构内力能够很好的产生平衡，从而减小桥梁结构内力，同时又能避免拱圈产生的水平向推力靠外部措施来平衡的不足。从外形来看多跨连续梁拱组合体系桥外观线形比较优美，极具城市美化效果，同时也是建筑景观。因此对于梁拱组合体系桥梁进行研究具有重要的意义。由于梁拱组合桥梁是属于内部自平衡作用体系，对于地震作用下桥梁的安全性考虑也是非常重要的，本文就根据梁拱组合桥梁结构的受力特点对桥梁抗震性能进行分析，以便对梁拱组合桥梁未来发展提供些许建设性建议[1]。

1 梁拱组合桥的结构特点

1.1 连续梁和梁拱组合梁受力特点

连续梁桥在受荷载力作用，梁体跨中弯矩会由于支座负弯矩的作用减小，所产生的弯矩受力和悬臂梁受力图形变化不大，连续梁受到车辆荷载作用支点会产生负弯矩作用，能够抵消部分跨中荷载作用产生的弯矩，这种受力结构对梁体是有好处的。梁拱组合结构形式在吊杆、拱肋、横梁、桥面系共同作用形成一种结构受力合理、外观新颖、有很好观赏价值的桥梁结构形式。多跨连续梁拱组合体系桥的受力分析：根据结构物材料的性能混凝土結构具有良好的抗压性能，钢材韧性好强度高但是易发生失稳。梁拱组合桥梁能够很好利用混凝土抗压性能，通过钢拱桥的拱脚水平压力对混凝土受压产生受力平衡[2]。梁拱组合梁桥中混凝土结构的开裂对桥梁承载能力影响较大，混凝土开裂会加快梁体钢筋的锈蚀。使得梁体结构受力降低，这种病害情况的发生对于梁拱组合梁桥结构是需要严格进行控制的，因此在梁拱组合桥中逐渐控制桥梁负弯矩区域混凝土的开裂是控制的重点部位。

1.2 连续梁拱组合桥易损部位特点分析

在抗震分析过程中，连续梁拱组合桥梁受力体系相对较为复杂，在研究地震作用力的过程中通常会忽略梁体内部受力相互作用，顺桥向和横桥向地震作用力对桥梁影响较大，在常用的设计计算地震对桥梁的影响时，常采用假设法进行梁体受力分析，根据反应谱地震影响分析方法确定桥梁的抗震性能，以便采取合适有效的措施保证梁体的抗震满足安全性要求。梁拱结合箱梁桥在地震作用下横桥向地震作用力主要由墩来承担，因此在抗震设计中在桥墩位置会设置抗震装置，一般情况下设置阻尼块来抵抗地震振动产生的破坏。顺桥向的地震作用主要和桥梁自身重量有关，抗震薄弱位置是设计重点考虑的因素，根据设计荷载截面抵抗地震侧向力的钢筋需要进行加强[3]。

2 梁拱组合体系地震作用下位移作用机理

梁拱连续组合结构体系，支座在受剪力作用产生破坏时，梁体端部会产生较大的位移，通常经过两种方式来实现，一种是根据受力和位移作用使得支座产生剪切破坏周期加长，另一种是通过桥梁位移和阻尼组合方式来增大桥梁结构的阻尼。常见的梁拱组合式桥梁采用阻尼装置或增加桥梁的结构刚度来增加抗震等级。

2.1 采用弹性部件抵抗地震作用

弹性抗震结构主要是设置拉索、橡胶支座来增加桥梁弹性抗震性能，弹性的大型橡胶支座能够有效的提高桥梁冲击力产生的破坏，可以有效的延缓地震作用对桥梁的作用时间，对于地震作用、风荷载、温度变化、汽车自动冲击力等都可以通过弹性连接来实现受力延缓，以减少破坏作用。

2.2 采用阻尼器增加抗震能力

目前桥梁设计中对于有效抵抗地震作用的装置就是设置阻尼器，阻尼器能够有效产生流体粘滞效应，常用的较为成熟的阻尼器有摩擦类的阻尼装置、钢阻尼设备、铅挤压式阻尼设备。连续梁拱组合梁结构最常用的阻尼装置是摩擦式粘滞阻尼器，粘滞式流体阻尼器能够有效抵抗地震产生的加速度表达式可表示为：（为阻尼力，是阻尼系数，是速度， 是指数）。采用流体式粘滞阻尼器具有更换支座方便，维修较为简单等优点。因此，在地震作用下能够允许地震加速度对支座造成剪切破坏以保护桥梁结构的完整。地震作用加速度和阻尼器表达式各参数相关联系的，从桥梁抗震出发常用值取0.3～1。当阻尼器所产生的抵抗力和地震产生的相对速度成比例时，称为线性阻尼器。流体粘滞阻尼器在蠕变变形作用下产生的抗力接近于零[4]。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

本文选取工程为某市快速轨道工程中跨河桥，桥梁设计采用三跨连续梁拱组合桥，主跨径桥梁采用105 m+200 m+105 m的跨径组合结构形式，桥梁设计桩长80 m，拱脚与桥梁水平面夹角为46°，桥梁横向宽度为14 m，箱梁采用单箱双室结构，箱梁高度4 m，中隔板厚1.5 m，腹板厚1.5 m。拱圈采用钢管混凝土结构，拱肋采用N字形布置，吊杆采用直径为90 cm的钢管，下弦拱矢量高34 m，拱采用轴线方程为y=0.005 66x²，上弦拱矢量高39 m，拱轴线方程为y=0.006 06x²，拱肋填充C50膨胀混凝土。桥跨总体布置形式如图1所示：

3.2 桥梁自振特性分析

根据上述桥梁的结构形式对桥梁进行建模分析，通过Midas模型模拟桥梁不均衡自振特性，以更好的反映地震作用下桥梁的受力变化，本文根据桥梁自振计算理论先用迭代法得到计算出高阶振型和频率，通过结合迭代和矢量空间计算原理（即矢量空间中n阶规模缩小到目标s阶向量的研究方法），根据已有经验空间迭代对于大型桥梁结构的振型和频率模拟的方法是有效方法之一。

3.3 地震反应谱分析梁拱组合结构

（1）反应谱分析基本原理。反应谱分析是基于单振子地震响应，通过假定单振子的质量、阻尼、刚度在地震作用下产生加速度，就是描述为地震作用。用相关公式可以表示为，式①： ①

上式中：m表示自由振子的质量;表示自由振子的刚度;表示自由振子的阻尼;表示地震作用下地面加速度;表示相对位移;表示相对速度;表示绝对加速度。

（2）结合反应谱进行地震力计算。多自由度体系的各项反应值是通过振型分解后产生各自的独立震动，然后再根据各个分解后振动最大值进行组合就得到了最大地震作用破坏值。本次选用表1的地震动组合方式进行参数分析。计算分析时忽略行波对地震作用波产生的影响。

本次选取上述工况组合中工况2进行研究分析，得到随着时间不断的延长地震作用下频率数据变化曲线，如图2所示：

根据上述地震作用反应谱周期频谱变化曲线可以看出在纵向（1.0）+横向（1.0）+竖向（0.5）地震工况作用下，桥梁在受到地震作用会产生瞬间较大的破坏力，通过阻尼作用或彈性构件可以有效减小频谱的反应时间，以更好的保护桥梁结构不受地震作用破坏。

4 结语

本文主要对多跨连续梁拱组合体系桥梁的抗震进行系统研究分析，通过整体认识并了解梁拱组合桥梁的结构特点和受力特点。首先根据地震作用力的特点，进行分析作用于梁拱组合梁桥上对桥梁产生的破坏作用，并根据现阶段最常用的弹性作用和阻尼作用来减小地震作用力对梁体产生的破坏。其次通过某轨道跨河梁拱组合梁桥的自振特性、地震作用组合形式进行综合介绍，通过反应谱的基本原理选取纵向（1.0）+横向（1.0）+竖向（0.5）地震工况对桥梁产生的影响，来说明阻尼和弹性体对于抗震设计中的重要作用，对于减小地震破坏基本原理更加清晰明了。为更好的研究地震作用下对桥梁的破坏提供坚实的理论基础。

参考文献：

[1]杨可.矮塔斜拉桥动力特性及地震响应分析[D].大连海事大学，2016.

[2]张煜敏.公路梁桥位移型抗震分灾系统研究[D].长安大学，2011.

[3]何晗欣.桥梁抗震与抗风及其影响因素分析研究[D].长安大学，2011.

[4]刘立博.桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法[D].长安大学，2009.