梁拱组合体系桥地震响应敏感性参数分析

柳东委

摘要：为了寻求梁拱组合体系桥的抗震性能敏感设计参数的合理取值范围，按照空间有限元动力分析方法，考虑拱结构的二阶效应、吊杆的几何非线性效应等，采用非线性时程分析法对某梁拱组合体系桥进行了地震响应的参数敏感性分析，探讨了拱梁相对刚度比、横撑布置形式与刚度等关键影响参数对梁拱组合体系桥地震响应规律的影响机理

关键词：桥梁工程；梁拱组合体系桥；地震响应；参数分析

材料性能的提高和工程实践技术的革新推动了梁-拱组合体系桥的发展，作为一种特殊形式的拱桥，它将主要承受压力的拱和主要承受弯矩的梁组合起来共同承载，充分发挥拱和梁各自的优势。目前国内外针对梁-拱组合体系桥的静力力学性能研究较多，但在动力性能尤其是抗震方面研究尚显不足[1-4]。

有鉴于此，本文依托某在建工程，开展了梁-拱组合体系桥的地震响应特征及结构参数影响规律研究，旨在为同类桥梁的抗震设计提供理论和实践的参考。

1工程概况

我国东部某在建的梁-拱组合体系桥设计全宽为40m，分幅方式为4m（人行道）+4m（慢车道）+3m（分隔带）+18m（快车道）+3m（分隔带）+4m（慢车道）+4m（人行道），采用沥青混凝土路面。上部结构采用的梁-拱组合体系，主跨为50m，两边跨都为30m。矢高为20.0m，采用刚性吊杆，矢跨比为1/4，。拱肋截面为2×1.8m。系杆截面尺寸为1.8×2.0m。全桥设置直径1.0m圆形钢管风撑四道。端横梁、中横梁及跨中横梁高度均为1.60m～1.743m。

图1.1桥梁总体布置图（单位：cm）

2参数选择及分析工况

2.1矢跨比

对于梁拱组合体系桥来说，矢跨比也是一个重要的结构特征参数，对拱肋和系梁的受力均有很大的影响，有时甚至还会影响施工方法的选择。本文依托工程的原始矢跨比为1/4，为了探讨矢跨比对全桥结构地震响应的影响，保持拱肋截面形式和拱轴线线型方程表达式形式不变，同时构件尺寸、材料等都不做修改，分别把该桥的矢跨比调整为1/4、1/5、1/6、1/7，采用非线性时程分析法，探讨和计算不同矢跨比模型的地震响应。后文为了说明的方便，分别将上述模型简称为R-Sratio1/4、R-Sratio1/5、R-Sratio1/6、R-Sratio1/7。

2.2拱梁相对刚度比

在梁拱组合体系桥中，桥面是和系梁共同受力，这种受力结构的刚度成为梁的刚度，主拱圈拱的刚度与这种刚度的比值，成为拱梁相对刚度比。梁拱组合体系桥中，按拱梁刚度比的大小可分为刚性系杆柔性拱、柔性系杆刚性拱和刚性系杆刚性拱三种类型。为了探讨不同拱梁刚度比值的影响，本文分别研究了刚度比为0.62、0.31、2.47、4.94时，桥梁结构的地震响应变化情况。后文为了描述的方便，分别将上述模型检查简称为A-TRatio0.31、A-Tratio0.62、A-TRatio1.23、A-Tratio2.47、A-Tratio4.94。

2.3横撑的布置形式与刚度

横撑的布置形式、位置和刚度都影响着拱肋的横向整体刚度大小，进而对全桥的横向刚度产生影响。横撑主要有一字形、X形和K形等形式。本文为了研究横撑布置形式与刚度的影响，以结构的原始设计参数为基准，将横撑两个方向的抗弯刚度分别扩大5倍、10倍、100倍来进行探讨分析。此外，将横撑全部去除以及设置剪刀撑也作为两个比对方案。后文为了说明的方便，分别将上述模型检查简称为Stiffness-0（相当于将原始刚度乘以0倍）、Stiffness-1、Stiffness-5、Stiffness-10、Stiffness-100、Stiffness-X。其中，Stiffness-0表示两个拱肋横向不设置横撑的情况，Stiffness-X表示去除原始设计中的横撑，设置三道剪刀撑的情况

2地震动输入

为了研究矢跨比、横撑布置形式及刚度以及拱梁相对刚度比对梁-拱组合体系桥动力特性和地震响应的影响，采用非线性时程分析方法分别针对不同参数取值的有限元分析模型进行数值参数分析。在进行结构设计参数分析时，选取的地震动记录是通过调整并且和设计反应谱拟合较好的实际地震动记录。限于篇幅，本文激励方向仅采用纵向+竖向和方式。

3有限元模型

采用结构抗震分析软件SAP2000version15.1.1进行本桥的地震响应分析。系梁和拱肋均分别采用空间梁单元进行模拟，桥面板采用壳单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，预应力钢束采用钢束单元一一模拟每一根钢束。为了准确反映桥面板与系梁以及横梁的共同作用，建立了壳单元与梁单元的边界约束关系。

4地震响应敏感性参数分析

在结构的设计过程中，一般都存在许多需要设计人员充分重视的关键性结构参数。这些参数不仅直接影响了桥梁的结构性能，还会影响了使用寿命。因此，合理地优化结构设计参数是设计的核心。由于地震力的强度和时效都具有很强的随机性，对于梁-拱组合体系桥来说，其关键构件的材料和几何属性无疑影响了全桥的抗震性能。因此，本章对梁-拱组合体系桥的几个关键结构参数，即矢跨比、拱梁相对刚度比、横撑刚度及其设置方式进行参数分析。

图1拱梁相对刚度对地震响应影响

由图1可知，墩底截面随着拱梁刚度比的增大，呈现先减小后增大的趋势，在拱梁刚度比为1.23是，墩底截面的地震响应最小。拱脚截面地震响应受拱梁刚度比的影响较小，由图1可以看出，拱梁刚度比从0.21-0.62变化时，拱脚截面的地震响应几乎没有变化，当拱梁刚度比大于0.62后，地震响应略微下降。飞燕截面的地震响应和拱梁刚度比成正比关系。

图2横撑布置形式与刚度对地震响应影响

由图2可知，横撑布置形式与刚度几个关键截面的地震弯矩响应影响也都很小。当横撑的刚度由0倍（不设横撑）增加到100倍时，墩底截面（即截面1）的弯矩响应略有下降；在刚度增大10到100倍之间时，降幅较明显。此外，采用X型横撑的方式与小刚度的水平横撑计算得到的弯矩响应较接近。在原始设计参数（横撑刚度为1倍）的情况下，几个关键截面的弯矩需求响应相对处于较高的水平。

图3矢跨比对地震响应影响

由图3可知，矢跨比的变化对几个关键截面的地震弯矩响应影响相比也都较小，拱脚截面和系梁受力最不利截面的剪力响应变化非常微小。当矢跨比由1/4变化到1/7时，墩底截面（截面1）的地震弯矩响应略有增长；拱脚截面（即截面2）的和系梁最不利受力截面（即截面3）的地震弯矩响应变化微小，可忽略。因此，在原始设计参数（矢跨比为1/4）的情况下，拱脚截面的弯矩响应处于最低的水平。

5结论

本文按照空间有限元动力分析方法，考虑拱结构的二阶效应、吊杆的几何非线性效应等，分别采用线性反应谱分析方法和非线性时程分析法对某梁拱组合体系桥进行了地震响应的参数敏感性分析，研究发现拱梁相对刚度比、横撑布置形式与刚度、矢跨比三个关键影响参数中，拱梁相对刚度比对梁拱组合体系桥地震响应影响最大，其他两个因素相对较小，在此类桥梁设计中应着重研究分析拱梁相对刚度。

参考文献：

[1]陈宝春，陈友杰，刘玉擎.钢管与钢管混凝土复合拱桥[J].桥梁建设，2001（1）：17-20.

[2]熊峰，刘浩吾.钢管混凝土模型拱动力特性分析[J].西南交通大学学报，2005，40（2）：195-199.

[3]HoeckmanW.BridgeovertheRiverLoireinOrleans，France[J].StructuralEngineeringInternational，2001，11（2）：94-98.

[4]李映.拱梁组合体系桥梁的拱梁相对刚度分析[J].桥梁建设，2008（1）：50-53.