上承式桥

1.1结构概况

某上承式无铰钢桁拱桥,净跨度400 m, 净矢高80m ,矢跨比1/5 ,拱轴线为悬链线,拱轴系数m =1 .9,拱圈为钢桁架,由3 片钢桁架拱肋构成,桁高10m ,上、下弦杆均采用钢箱,高1 .5m ,宽1 .0m 。拱上建筑采用梁式腹孔,腹孔布置为16×27 m,共设15个拱上立柱, 2个交界墩。拱上立柱采用箱型钢排,横向为3根钢箱截面立柱,钢箱横桥向宽1.0m, 顺桥向高1.7～0 .9m 。桥面系采用钢-混凝土叠合连续梁,仅在交界墩顶设置伸缩缝,钢纵梁高1.7m, 每6 .75 m 设1 道横梁,桥面纵坡为1 .6%。全桥除在伸缩缝处布置单向活动支座外, 其余立柱顶均布置固定支座。

1 .2 计算方法

本文采用时程分析法对结构进行计算分析,具体为线性加速度时程积分, 即Newmark法中δ=0.5 , α=0 .25 的情况。

1 .3 有限元模型

结构的地震响应采用有限元法进行分析,所采用的单元以梁单元为主,主拱弦杆、腹杆横向连接杆件、拱上立柱均采用空间梁单元来模拟, 桥面钢纵、横梁也离散为空间梁单元,混凝土桥面板及后浇层则采用板壳单元来模拟,建模中考虑混凝土桥面板应位于钢纵、横梁顶,这样桥面刚度和质量的几何位置才准确, 在钢纵、横梁单元和桥面板单元间设置刚臂来实现。根据结构支承情况,拱肋上、下弦、拱脚处斜腹杆、过渡墩的边界条件均取为与地基刚接,桥面与立柱间的固定支座、活动支座均采用杆端自由度放松来模拟。结构阻尼比取为0 .02。

1 .4 激励模型

在时程分析中, 选用的地震激励通常包括:实测时程、根据桥位场地地震危险性分析提出的人工时程、根据规范反应谱或功率谱合成的人工时程。鉴于实测时程是地震动的真实记录,包含人工时程中难以模拟的真实特性, 如速度脉冲、波串和其他的未知特性, 采用此类时程可获得较为真实的结构响应,本文采用实测时程作为输入。但在选择实测时程时应注意到地震动频谱结构的重要性, 应选用地质情况与桥位场地相近的场地获得的地震记录,用这样的时程来对实桥进行分析才有意义。大跨度上承式拱桥一般均要求地基条件较好,通常位于I 类场地上,由于本桥属长周结构,故选用Los Angeles 作为纵向和横向输入,并将最大加速度调整为0 .2g ,即为地震裂度8 度地区的设计基本加速度值,竖向输入则取为纵向输入的0.6倍。3 个地震平动分量间的相关性按主轴理论来处理, 这样各方向激励是互不相关的, 并假定地震动主轴的x, y和z方向分别与结构的纵、横、竖向重合。地震动输入点为拱脚。

1)拱脚截面是上承式钢桁拱桥在地震作用下的危险截面,竖向激励使拱顶内力明显增大, 但对拱脚的影响却不如拱顶明显。

2)桥面的纵向振动对拱肋内力有一定影响,且是不利的。

3)桥面支座布置方式是影响拱肋内力响应的重要因素,放松短立柱的顺桥向约束可有效地减小拱肋内力,短立柱的受力也会明显减小。

4)全部采用固定支座来连接拱上立柱和桥面,对于提高立柱稳定性是有利的,但对于拱肋的内力响应却有其不利的一面,设计中在布置桥面支座时应综合考虑立柱稳定及抗震的需要。

5)上承式拱桥采用密布横向连接系,避免了在横撑处出现轴力和面外弯矩的峰值, 同时, 上承式拱桥桥面支座的横向水平力较中承式拱桥要均匀得多, 其承受横向地震的能力较中承式拱桥强。

6)在多点激励作用下,上承式钢桁拱桥拱脚和拱顶附近的内力较同步激励有较大增加,波速越小增幅越大, 多点激励的不利影响是此类桥梁地震响应计算中应考虑的因素。

7)桥面纵坡对拱肋内力有一定影响,立柱较高一侧拱肋的内力较大,建立计算模型时应考虑桥面纵坡。

概述

上承式拱桥是拱桥的重要形式,与拱桥的其他形式相似, 抗震也是其无法回避的问题。与中、下承式拱桥相比, 上承式拱桥的桥面位置较中、下承式拱桥高,使得上承式拱桥的质量中心比中下承式拱桥的高,并且大跨度中、下承式拱桥一般采用漂浮式桥面系,而在大跨度上承式钢拱桥中, 由于靠近拱脚的拱上立柱较高,为提高立柱稳定性, 通常将桥面与立柱铰接甚至刚接, 这样, 在地震作用下, 与漂浮式桥面系相比,桥面质量对拱肋响应的影响会有较大不同,这些都使上承式拱桥的地震响应具有其自身特点。近年来,不少学者对拱桥的抗震问题进行较深入研究, 并取得了一系列的成果。这些文献中, 对中承式拱桥的研究较多,对钢管混凝土拱桥的研究也较多, 而对上承式钢拱桥的地震响应研究较少。

在此,本文作者以国内跨度最大的某上承式钢桁拱桥为分析对象, 对这一桥型在多维激励、多点激励作用下的响应特性进行讨论,探讨密布横向连接系对拱肋内力响应的影响, 并对桥面支座布置方式的影响进行对比分析。

2 .1 同步激励作用下的响应特性

在纵向同步激励作用,上弦的最大轴力出现在拱脚截面,3l/8跨附近的轴力也较大, 这些特点与中承式桁拱桥的特点是相似的 , 面内弯矩分布情况与中承式拱桥的分布情况有所不同。中承式拱桥的最大面内弯矩分布曲线较光滑,而上承式拱桥则呈多峰状,且拱顶附近的面内弯矩峰值比拱脚附近的明显。与结构图相对比可知,出现最大面内弯矩峰值的位置与立柱位置是相对应的,故可认为该峰值由立柱所致。这是由于大跨度上承式钢桁拱桥的桥面与立柱是铰结的, 桥面的纵向振动将在立柱中产生水平力,从而在立柱底产生弯矩, 而立柱与拱肋为刚接,柱底弯矩必然会对拱肋的弯矩和轴力产生影响。在立柱处,最大轴力分布均出现突变,但不如弯矩表现得明显。由于各立柱水平力的分配依赖于立柱的线刚度,靠近拱顶的立柱较拱脚附近立柱的线刚度要大得多, 分配到的水平力也大得多, 故虽然其长度较小,但弯矩较大。计算表明拱顶立柱的柱底弯矩达7 .5 MN·m ,而1 号柱底弯矩仅为1 .5MN·m ,因此,拱顶附近的面内弯矩峰值比拱脚附近要明显。上述分析结果表明,上承式桥面的纵向振动对拱肋内力有一定影响,且是不利的, 而中承式桥面由于采用漂浮式, 纵向约束被放松, 其纵向振动对拱肋的影响要小得多。

在纵 竖激励作用下,上弦各截面的内力均较纵向激励时有不同程度的增大,其中以拱顶附近的增幅最大, 轴力增幅达6.7 MN, 而拱脚增幅仅为1 .7MN ,其原因在于在竖向激励使对称振型被激发,而在纵向激励作用下则只有反对称振型被激发。正是由于对称振型的贡献,使得拱顶轴力和弯矩大幅度增加。

在三维激励作用下, 上承式拱桥拱肋各截面的轴力和弯矩均较纵 竖激励时有所增大,其中以拱脚增幅最大,这表明横向激励对拱肋轴力也有较大贡献。这是由于无铰拱的拱圈在横向上的受力特性类似于一个两端与地基刚接的刚架, 当拱肋在横向激励作用下发生侧倾变形时,一方面将在拱肋中产生面外弯矩, 同时还将产生轴力, 拱脚位于刚架的固定端,故其轴力增幅最大。这里需讨论的是, 在三维激励作用下, 上承式拱桥的轴力和面外弯矩分布情况与中承式拱桥的分布情况有较大不同,中承式拱桥在横撑处无论是轴力还是弯矩均出现较大的峰值,而从图5看,上承式拱桥则无此现象。这是由于中承式拱桥横向连接系的布置受行车净空的限制,一般采用数量较少但刚度较大的横撑作为横向连接系,在横撑处拱肋的面外转动受到较大的约束, 从而在横撑处出现轴力和弯矩峰值,而上承式拱桥一般采用密布横向连接系, 横向连接构件的刚度不大,且为连续布置,这样,拱肋的面外转动不会在横撑处受到强大的集中约束, 也就避免了在横撑处出现轴力和面外弯矩的峰值。

从计算结果看, 在三维激励作用下, 上承式拱桥其最大面外弯矩出现在拱脚,而中承式拱桥则出现在端横撑处(桥面与拱肋相交位置), 且该处的面外弯矩比拱肋其余位置要大得多。这是由于中承式拱桥桥面的横向位移主要由立柱上的支座约束,吊杆不能提供横向约束, 桥面的横向受力类似于中跨比边跨大得多的连续梁,这使得桥面与拱肋相交位置处的支座承受的横向水平力较其他支座要大得多, 且拱肋在该位置得转动受到强大的端横撑的约束,因此,在该处出现了较大的面外弯矩峰值。而上承式拱桥的桥面在每一立柱处其横向位移均受到约束, 横向受力类似于一等跨的连续梁, 支座的横向水平力分布较中承式拱桥要均匀得多,水平力的数值也就小得多, 这对减小拱肋的面外弯矩无疑是有利的。

2 .2 支座布置形式的影响

支座布置方式对拱肋的内力响应有较大影响,放松4～12 号立柱的顺桥向约束后,拱脚轴力减小了17 %左右,在l/4附近也有明显减小, 这表明放松部分桥面支座的顺桥向约束可有效减小拱肋的地震内力, 换言之,在立柱顶全部采用固定支座,对于抗震来说有其不利的一面,其原因可从能量守恒的角度加以解释。在地震中,输入结构的能量一部分将转化结构的变形能, 而另一部分则转变为结构的动能, 可能危及结构安全的是结构的变形能。结构变形能越大,则结构构件的内力越大。长度较短的立柱线刚度较大, 对桥面顺桥向位移的约束较强, 放松这些立柱对桥面的顺桥向约束后,桥面位移有较明显的增大。工况3 桥面的顺桥向位移为96 mm ,工况4 的桥面位移则增大到117 mm ,较大的桥面位移意味着有更多的能量耗散于桥面运动,更多的能量转化为结构的动能。一次地震输入到结构中的能量是一定的,结构动能的增大意味着结构变形能减少,因此,通过放松部分桥面支座可有效减小拱肋的地震内力。当然, 放松较短立柱的顺桥向约束后,将使较高立柱的弯矩有所增大, 例如3号立柱柱底的弯矩由1 .69 MN·m ,增至3 .51 MN·m ,但仍远小于全部采用固定支座时的立柱最大弯矩7 .50 MN·m ,因此,放松较短立柱的顺桥向约束, 并不会过大地增大立柱的负担, 最大弯矩反而有所减小。

2 .3 多点激励作用下的响应特性

多点激励对结构的影响主要包括行波效应、部分相干效应和局部场地效应3 个方面,文献[6]的研究表明,对于大跨度拱桥,行波效应的影响是最主要的,为此,这里将仅探讨行波效应对上承式钢桁拱桥的影响。行波激励作用下拱肋各截面的内力均有不同程度的增加,这表明多点激励对上承式钢桁拱桥产生较大的不利影响,是此类桥梁地震响应计算中应考虑的因素。其原因在于同步激励作用下由于结构物理和几何性质基本对称,仅反对称振型被激发, 而在行波激励作用下则对称振型和反对称振型均被激发。行波激励对不同拱肋截面的影响有较大不同, 其中以拱顶附近的变化最为明显, 而对l/8附近的影响则相对较小, 拱脚附近也有较大的增长, 波速为1 km/s 时,拱脚轴力的增幅达67 %。分析结果表明, 拱脚截面是上承式拱桥抗震的薄弱环节,行波激励对拱脚截面的不利影响在设计中值得重视。从图7 还可看出,视波速对拱肋的内力响应有较大影响, 随着视波速的增大, 拱肋内力有逐渐减小的趋势。以拱脚截面为例, 视波速为500 m/s时的轴力比1 km/s 时增大了25 %,其原因在于,行波效应是各支点激励间的相位差导致的, 波速越小, 各支点间的相位差越大, 行波效应就越明显。

上承式桥是指桥面布置在主要承重结构之上的桥梁。构造简单，施工方便，承重结构的宽度较小,且主梁或拱肋的间距可按需调整，因而可节约墩台场工数量，以求得经济合理的布置。此外，在上承式桥上行车时，视野开阔，感觉舒适，特别适合于城市桥梁，但是，上承式桥的建筑高度包含了主梁高度，一般来说建筑高度较大，会使两岸引道加长而增加工程数量。

支承上部结构并将恒载和活载传至地基的结构物。由支座、桥墩或桥台和基础等几个部分组成。支座是上部结构与桥墩或桥台直接接触处所设置的传力装置，它不仅要传递很大的荷载,而且还要保证上部结构能产生一定的变形。桥墩的作用是支承相邻两跨上部结构，桥台通常设置在全桥两端,它除了支承边跨上部结构之外，还与路堤相衔接，以抵御路堤土压力，防止填土滑坡和坍落。桥墩和桥台底部，埋入土层中，并使全部荷载传至地基的部分，称为基础。由于基础往往深埋于土层之中，有时还需水下施工，因而成为整个桥梁施工中比较困难的部分。

使得桥梁的建筑高度等于或略大于桥面结构高度，从而大幅度降低建筑髙度。在铁路桥梁中，由于受纵坡限制，为了避免过高的路堤和过长的引桥，大量采用下承式钢桥。但是对于城市桥梁，只有在桥面标高不允许过分抬高时，才考虑采用下承式桥。2100433B

主梁是上部结构的主要承重构件;横梁是主梁共同受力的重要构件，引车道板组成行车平面,并承受车辆荷载的局部作用，桥面系是整个桥梁直接使用部分，共系引桥梁的运行效果。2100433B