浅析钢筋混凝土拱桥抗震研究

2019-03-28

福建质量管理 2019年6期

(西华大学四川成都 611730)

随着我国交通事业迅猛发展，在一些峡谷河流较多的西南地区，有着较大跨越能力的钢筋混凝土拱桥得到了广泛应用。由于近几年地震频发，在高烈度地区，钢筋混凝土拱桥的抗震性能逐渐引起了相关从业人员的重视。桥梁的抗震设计基本上是按照相关抗震设计规范进行，目前相关规范较为完善，按照地震动参数区划、抗震设防标准、场地土分类等等各个方面充分考虑了场地、桥梁结构、地震波等参数对桥梁抗震性能的影响，具有很高的参考价值和指导意义，但桥梁跨度的增大、结构更加复杂化、地震波的不确定性以及抗震性能要求的提高使得仅仅按规范大致进行设计并不能成为最优的方案。

一、钢筋混凝土拱桥抗震性能的相关研究

(一)震害的研究

1.调查统计。通过调查和统计发生地震灾害地区的钢筋混凝土拱桥破坏情况，根据相关的规律分析研究得出相应结论。例如曹鹏杰调查了在汶川地震中都江堰9度和10度地区的46座拱桥，对墩台、基础、拱圈以及桥面侧墙的典型震害进行了统计和分析，认为选择地质均匀两端地形相似的桥址、在立柱或者立墙顶端设铰使桥面简支或者形成三铰拱、提高施工质量、定期的维修养护防止出现各种病害等，都能提高拱桥的抗震性能。

2.建模分析。通过调查一座或者几座桥的震害情况，结合使用有限元软件建立该桥的模型进行地震响应分析，得出拱桥的震害机理。例如唐堂通过现场调查汶川地震后的金花大桥震害，使用有限元软件SAP2000建立该桥模型，输入地震动进行数值分析并结合XTRACT软件得到了拱桥的地震响应情况，将分析结果对比调查情况发现二者基本一致，认为地震作用下，靠近拱顶附件的立柱是地震易损构件，主拱圈的拱脚处发生了弯曲破坏。

(二)地震作用分析方法研究

1.抗震分析方法的适用性。无论是最早使用的静力法，还是目前得到广泛应用的反应谱法和动力时程分析法，或者是基于性能的抗震设计理念，都有自身的优缺点及适用条件和范围。近年来关于这方面的研究也有很大的进展，但是由于不同的结构在不同的地震作用下反应各不相同，所以还不完善。主要探讨不同的结构形式、不同的地震作用、结构的线性和非线性变形等所适用的抗震分析方法。

2.抗震分析方法的完善。桥梁结构在实际地震作用下的反应是非常复杂的，要考虑的因素非常多，除了规范中提到的主流因数以外还要考虑其他效应的影响，如地震波的选取，行波效应，桩土作用等等，在这一方面也有了大量研究，例如孙广龙使用基于有限元软件ANSYS开发的大跨度桥梁抗震分析计算模块对一在建的钢筋混凝土拱桥分别采用一致激励和行波激励进行时程分析，对比结果表明:考虑行波效应时，拱脚弯矩、l/4截面轴力和弯矩均有显著增大，拱脚轴力、拱顶轴力和弯矩则有所减小，各部位的顺桥向位移均增加。

(三)拱桥自身结构特点研究

1.研究自身的动力特性。由于实际工程的独特性，每个拱桥对地震作用的响应都有区别，所以很多从业人员会对有着自身特点的实际工程中的拱桥进行反应谱或者时程分析，研究其自身的基本动力特性以及地震作用下的响应，有的是去验证被广泛应用的方法对有特殊地方的拱桥同样适用，有的分析出特殊情况的拱桥与其他一般拱桥的差异等等。

2.拱桥相关参数的影响。桥梁结构的动力特性主要由结构形式、质量分布、结构刚度、材料特性和构造连接等因素决定，所以钢筋混凝土拱桥结构中的各种参数(矢跨比、拱轴系数、阻尼比等)对拱桥自身的基本动力特性影响很大，从而影响到了拱桥的抗震性能。目前也已经有很多人对这方面进行了研究，像是根据具体地形条件采用几组不同失跨比的拱桥在相同的条件下进行抗震分析，对比结果的差异。

(四)减震隔震研究

钢筋混凝土拱桥是一种刚度很大不太利于抗震的结构，通过设置隔震减震装置能有效改善其抗震性能。比如范亮提出在主拱拱脚周围安装可变刚度原件，根据需要来改变拱脚处的边界条件从而减小拱桥刚度增加延性，通过计算分析后认为此方法对拱桥减震十分有效。

二、钢筋混凝土拱桥抗震性能潜在的可行研究方向

(一)结构特点

1.拱上结构。首先可以分析材料变化的影响，拱上立柱及桥梁部分可以是钢材、钢管混凝土、型钢与混凝土相结合等不同的材料，然后利用有限元软件进行数值分析对比结构找出规律。可以将拱上结构的连接形式进行变化，拱上建筑可以是立柱和梁固结形成钢构形式，也可以是设置为活动支座形成连续梁结构，还可以将梁结构断开为简支梁的形式。

2.主拱圈。主拱圈的失跨比、拱轴系数都会影响到拱桥的动力特性，这方面早已有相关文献，但是由于研究的拱桥数量较少，无法确定不同形式的钢筋混凝土拱桥同样适用这样的规律，所以需要大量不同的钢筋混凝土拱桥都进行相关方面的研究，才能得出规律。