木拱廊桥三维有限元建模与抗震性能分析

2022-11-07夏梦君李利平高子坤李旭平李江烽叶雨儿

科技创新与应用 2022年31期

夏梦君，李利平，高子坤，李旭平，李江烽，叶雨儿

（丽水学院工学院，浙江丽水 323000）

木拱廊桥是木结构桥梁中的一种典型桥梁结构，其具有超高的学术研究价值。目前，针对木拱廊桥的研究多为受力机理方面。根据对其受力机理的有限元及试验分析，研究结果表明木拱廊桥结构受力均匀，具有良好的力学性能[1-3]；根据木拱廊桥桥体建立2维平面力学结构分析模型，木拱廊桥是有限次的静定结构，在某种情况下可能是瞬变体系，甚至是几何可变体系（泰顺文兴桥变形，变成不对称结构，原本记载是对称结构）[4-5]；针对木拱廊桥的静力荷载试验研究表明，木拱廊桥五节苗中部有支撑能够有效减小木拱廊桥的非对称变形[6]；关于对木拱廊桥的修复研究表明，木拱廊桥腐烂较为严重，针对腐烂的构件进行更换加固具有良好的加固效果[7]。

针对于木拱廊桥的地震响应研究甚少，仅有少数学者对其进行了初步研究。木拱廊桥在地震作用下具有一定的抗震性能，结构第一阶振型为横向平动，第二阶振型为竖向平动，第三阶振型为扭转，受力最大位置为三、五节苗的斜苗位置[8-10]。根据本人对于丽水地区的地震情况研究发现，丽水庆元地区的地震发生频率较高，从1976年始监测到的地震有40余次，在浙江省的历史上发生过的M≥4.7级破坏性地震中，丽水庆元县发生过5.5级地震[11-12]。

丽水庆元县有多座木拱廊桥，多为国家文物保护单位，其代表性木拱廊桥有如龙桥、濛洲桥及咏归桥等，而如龙桥是全国迄今有确切记年、使用寿命最长、结构复杂及工艺非常精湛的木拱廊桥。另外，如龙桥在历史上由于发生过地震，经历过多次修缮，其结构损伤较大，对其进行地震分析具有一定的必要性。因此，本文建立了丽水庆元县典型木拱廊桥如龙桥的有限元模型，进行静荷载作用下的内力分析和常遇地震下的动力时程分析，探究木拱廊桥的内力分布与抗震性能，结果可为木拱廊桥的修缮提供一定参考。

1 地震波选取

根据丽水庆元县地质研究，该地区发生的地震震级在6级范围内，选取3条震级在丽水庆元地区震级范围内的地震波，分别为南京波、天津波和兰州波，地震波基本信息见表1，地震波的加速度反应谱如图1所示。

表1 地震波信息表

图1 地震波加速度反应谱

2 建立有限元模型

2.1 木拱廊桥概况

本文拟用丽水庆元县典型木拱廊桥如龙桥为研究对象，如龙桥全长28.2 m，拱跨14.1 m，净跨19.5 m，面阔6 m，木拱廊桥由拱架和廊屋2部分组成，拱架为编织拱结构，其主要由三节苗、五节苗及牛头通过榫卯连接，其结构如图2所示。廊屋如普通木结构房子，但是木拱廊桥廊屋部分的柱子运用了穿梁结构，具有更好的稳定性。

图2 木拱廊桥结构示意图

2.2 木拱廊桥拱架非线性参数

本文针对木拱廊桥的拱架部分进行深入研究，运用SAP2000建立木拱廊桥的有限元模型，根据木结构设计规范[13]，拱架部分的牛头一般选择韧性好、硬度高的栲木等阔叶木材为原料，材料强度等级为TB15及以上；三、五节苗一般选用针叶木材为原料，材料强度等级为TC13，木拱廊桥材料属性信息见表2。建立有限元模型时，设置为等粗细的木材，即两端直径相同。

表2 木拱廊桥拱架的材料属性信息

木拱廊桥中节点连接方式均为榫卯连接，榫卯节点连接具有一定的转动刚度，其属于半刚性节点连接，在建立模型时将榫卯节点进行适当放松，达到榫卯节点的半刚性。关于建模时榫卯节点的处理为：根据力学分析牛头可沿Y、Z方向平动及X方向转动，即将该节点Y、Z方向平动及X方向转动进行放松设置；根据力学分析枕木可沿X方向转动，即将该节点X方向进行放松设置。