横撑对下承式钢箱系杆拱桥地震响应影响分析

横撑对下承式钢箱系杆拱桥地震响应影响分析

黄庆伟

中国华西工程设计建设有限公司成都610030

摘要:横撑作为钢箱系杆拱桥的重要组成部分，其对拱桥的稳定性和动力性能具有重要的影响。以一座下承式钢箱系杆拱桥作为研究对象，采用MIDAS/Civil建立全桥有限元模型，研究横撑不同间距布设和刚度变化对全桥的地震响应影响。研究表明：横撑间距对拱肋节点的横向位移响应影响显著，横撑间距为20~40m是能够显著减低拱肋的横向位移；横撑间距对拱肋的纵向位移响应影响不大，但对拱肋节点的纵向位移响应和拱肋全截面轴力响应影响较大；横撑刚度对拱肋横向位移响应影响较大，刚度越大，位移响应越大，却对纵向、竖向和轴力影响不大。

关键词:下承式钢箱系杆拱桥；拱肋横撑；地震响应

Analysisoftheinfluenceoftransversebracingonseismicresponseofthroughsteelboxtiedarchbridge

HUANGQingwei

(ChinaWestChinaEngineeringDesignandConstructionCo.,Ltd.,Chengdu610030)

[Abstract]Asanimportantpartofsteelboxtiedarchbridge,transversebracinghasanimportantimpactonthestabilityanddynamicperformanceofthearchbridge.Takingathroughsteelboxtiedarchbridgeastheresearchobject,thefiniteelementmodelofthewholebridgeisestablishedbyMIDAS/Civil,andtheinfluenceofdifferentspacingofbracesandstiffnesschangesontheseismicresponseofthewholebridgeisstudied.Theresultsshowthatthespacingoftransversebraceshasasignificanteffectonthetransversedisplacementresponseofarchribjoints.Thespacingoftransversebracesis20-40m,whichcansignificantlyreducethetransversedisplacementofarchrib;thespacingoftransversebraceshaslittleeffectonthelongitudinaldisplacementresponseofarchribjoints,buthasagreaterimpactonthelongitudinaldisplacementresponseofarchribjointsandtheaxialforceresponseofarchribfullsection;thetransversebracingstiffnesshasagreaterimpactonThelargerthedisplacementresponseis,thelesstheinfluenceonthelongitudinal,verticalandaxialforcesis.

[Keywords]throughsteelboxtiedarchbridge;archribbracing;seismicresponse

0引言

拱桥因桥型优美、受力明确、承载能力强、施工速度快、综合效益好等优点受到桥梁从业者的青睐。因此，在我国近几十年的发展中，各种形式的拱桥在公路、铁路和市政桥梁中已很常见。

为适应大跨度的发展需求以及桥梁技术的进步，我国近年主要的拱桥类型为钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥和刚拱桥[[]]。拱桥的大量涌现，使得这种桥梁结构的稳定性和动力性能研究日益迫切[[]]。拱肋作为大跨度钢箱系杆拱桥的主受力构件，拱肋对拱桥的承载能力与抗震性能影响显著，为增加钢箱系杆拱桥的横向稳定性及提高横向刚度，需在拱肋间设置横撑，横撑的存在使得拱桥对横向地震波的响应增大[[]]。因此，研究横撑的合理布置形式以及横撑刚度来改善拱桥的整体抗震性能具有重要的意义。

本文以成都市淮州新城沱江上的红岩寺大桥为工程依托，研究不同横撑布置形式以及横撑刚度对下承式钢箱系杆拱桥地震响应影响，研究成果为同类桥梁设计提供一定的参考。

1工程概况

大桥全长421m，包括主桥和引桥，其跨径布置为5×30m+145m+4×30m，其中145m主跨为通航孔，桥宽34m，为下承式钢箱系杆拱桥，引桥为预应力混凝土连续梁桥。

主桥拱肋采用悬链线，主拱计算跨径145m，矢高32.5m，拱轴系数1.5m。拱肋采用箱形平行拱肋，横截面宽2.0m，拱顶截面高2.2m，拱脚为3.5m，截面变厚按纵向水平投影1.5次抛物线。

两拱肋中心间距为26.0m，沿纵向设置三道单箱单室横撑，横撑宽1.8m，高与拱肋截面等高，横撑顺桥向间距为33m。该桥桥型布置如图1所示。

图1红岩寺大桥桥型布置图

2有限元模型建立

图3地震波时程

该地震波峰值加速度为0.212g，持续时间为53.46s，分析时间步长为0.02s。地震波从顺桥向、横桥向和竖向同时输入，其中，竖向地震波的放大系数为顺桥向地震波的65%。

3不同位置的横撑影响分析

3.1荷载工况

红岩寺大桥主桥的原设计为三道“一”字型箱形横撑，拱顶一道，其余两道横撑对称布置，横撑纵向间距为33m。为研究横撑对下承式钢箱系杆拱桥地震响应的影响，在不改变横撑数量的情况下，现对原设计进行修改，方案如下：拱顶处的横撑保持不变，通过改变两道横撑的间距从小到大逐步加大，7种荷载工况详见表1。

表1不同工况的横撑间距（单位：m）

工况1234567

间距6122133425160

每种工况下，两横撑间距对拱顶处的横撑对称布置，调整的横撑均在两吊杆之间，且不影响吊杆的施工安装，工况7的横撑间

图6节点横向位移地震放大系数

由图6可知，横撑间距大于12m，各节点横向位移地震放大系数均小于1（除节点2在横撑间距在42m的工况下），说明增设横撑可减小各节点横向地震响应，但横撑间距不宜过小。当横撑间距小于12m时，各节点的横向位移地震放大系数几乎都大于1，说明间距过小时，各节点的横向地震响应所有放大。

随着横撑间距从6m逐渐增大到60m中，各节点的横向位移地震放大系数表现：先减小后增大再减小，1.19为最大值，出现在横撑间距为6m的工况下节点2附近；最小值为0.51，位于横撑间距为60m工况下节点3附近。表明此桥为60m横撑间距时，其桥梁结构横向地震响应可明显降低。

图8节点截面轴力的地震放大系数

由图8所示，横撑的设置对各节点断面轴力地震响应均有不同程度的增大作用。各截面轴力地震放大系数随着横撑间距的增大加先增大后减小，最大值为1.13，位于横撑间距33m时的节点5处；最小值在横撑间距为12m时的节点1处，值为1.03。

4横撑刚度的影响

通过调整横撑的抗弯刚度变化，来研究对比横撑刚度变化对钢箱系杆拱桥地震响应的影响程度。拟定3种荷载工况：工况A为原设计；工况B的刚度为工况A刚度的2倍；工况C的刚度为工况A刚度的0.5倍的地震响应值如表2所示。

表2各工况下各节点地震响应

为更直观的反应横撑刚度对拱肋各节点的地震响应影响，以各节点为横坐标进行作图。

图11各节点竖向位移响应

各节点的竖向位移响应如图11所示，与纵向位移相似，沿着拱顶向下，拱肋的竖向位移响应也是先增大后减小，最大值发生在工况C下节点4处，值为62.30mm，最小值为工况B下节点1处，值为26.69mm。节点1~3和节点8在工况下竖向位移响应基本重合，节点4~7中，工况C下竖向位移响应最大，工况B下竖向位移响应最小，最大差值在节点7处，为4.4mm。说明减小横撑刚度能增大拱肋的竖向位移响应，但增大并不明显。

图12各节点轴力响应

由图12可知，拱肋各节点处轴力响应从拱顶往下逐渐增大，三种工况下，拱肋轴力响应几乎重合，说明增加或减小横撑刚度对拱肋轴力响应的影响很小。

5结论

本文以红岩寺大桥为研究对象，选取一条实际记录的地震波时程，从纵横竖三个方向的位移和拱肋轴力出发，通过调整横撑间距和横撑刚度对下承式钢箱系杆拱桥地震响应的影响分析，可得以下结论：

（1）横撑间距对拱肋纵向位移虽有一定影响，但影响不显著。横撑间距33m时能减小拱肋的纵向位移，其他间距下对拱肋纵向位移有一定放大作用，但放大不明显。

（2）横撑间距在20m~40m间时能够显著降低拱肋的横向位移响应。横撑间距过小时，拱肋横向位移响应会放大。

（3）横撑间距对拱肋的竖向位移影响不具规律性，部分节点位移响应增大；横撑间距对拱肋轴力普遍具有放大作用，放大明显的横撑间距为20m~40m，但综合位移响应考虑，该桥合理的横撑间距为20m~40m。

（4）横撑刚度对此类拱桥的地震响应影响不明显。横撑刚度较大仅对竖向位移略微减小；且刚度越大，横向位移的地震影响越大。

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[作者简介]黄庆伟（1977~）男，研究生，高级工程师/一级注册结构工程师。