五跨连续中承式钢管混凝土拱桥抗震性能分析的学习体会

文献概况与研究背景

钢管混凝土拱桥因其结构自重轻、承载能力强、造型优美等特点，在城市桥梁工程中得到了广泛应用。中承式钢管混凝土拱桥的桥面位于拱肋下方，这种结构形式在景观效果和结构效率方面具有独特优势，但也带来了独特的抗震挑战。同济大学李静斌等人在《世界地震工程》2005年第21卷第3期刊发的这篇文献，针对某正在设计的5跨连续中承式钢管混凝土拱桥进行了系统的动力特性和抗震性能分析，为该类桥梁的抗震设计提供了重要的技术参考。

该研究在河南省自然科学基金的资助下完成，研究团队根据桥梁的结构特点建立了空间有限元分析模型，计算了桥梁的自振特性，并基于反应谱方法计算了桥梁在横向和纵向水平地震作用下的地震反应。

动力特性分析

自振特性

文献计算结果表明，该桥拱肋的面外刚度相对较小，在桥梁振动中首先出现拱肋的面外振动。这一结论具有重要的工程意义。对于中承式钢管混凝土拱桥，拱肋的面外刚度通常由横系梁、风撑等横向连接构件提供。如果横向连接构件的刚度不足或布置不当，拱肋的面外刚度将显著降低，导致面外振动的基频偏低，在地震作用下容易产生较大的面外位移。

桥梁的竖向振动表现为拱肋与桥面的整体竖向振动，其基频明显比拱肋面外振动大。这意味着竖向振动的周期较短，对应的地震加速度反应较大，但位移响应较小。

振型特征

地震反应分析

横桥向地震作用

计算结果表明，主拱肋的轴力由横桥向地震动控制。这一结论揭示了中承式钢管混凝土拱桥在横桥向地震作用下的主要受力特点。横桥向地震作用使拱肋产生面外弯曲变形，由于拱的几何特性，面外弯曲会引起显著的轴力变化。对于5跨连续拱桥，横桥向地震作用还会引起各跨拱之间的相互作用，使边界条件更加复杂。

纵桥向地震作用

其他内力（弯矩、剪力等）主要由纵桥向地震动控制。纵桥向地震作用使拱肋产生面内弯曲变形，由于拱肋的面内刚度较大（钢管混凝土拱肋本身具有较高的面内抗弯刚度），纵桥向地震作用引起的弯矩和剪力相对较大，但位移响应相对较小。

地震作用对内力的影响

文献特别指出，地震作用对弯矩的影响较大，故主拱的内力计算应考虑地震力的影响。这一结论对于工程设计具有重要指导意义。在实际工程中，很多设计人员在计算拱肋内力时往往只考虑恒载和活载，而忽略了地震力的影响。该研究的结果表明，对于中承式钢管混凝土拱桥，地震力引起的弯矩不可忽视，特别是在拱肋的某些关键截面，地震弯矩可能成为控制性内力。

控制截面分析

文献提出，在设计计算中除常规关键点应作为控制点外，内外拱连接处也应作为控制点。这一观点值得深入思考。

对于5跨连续中承式钢管混凝土拱桥，内外拱的连接处是结构体系转换的关键位置。内拱（靠近桥面中心的拱肋）和外拱（靠近桥面边缘的拱肋）在截面尺寸、荷载分布和约束条件方面存在差异，其连接处的内力分布较为复杂。在地震作用下，内外拱的振动相位可能不一致，导致连接处产生较大的相对变形和内力集中。

从钢管焊接工艺角度分析，内外拱的连接处通常采用焊接或法兰连接方式。如果采用焊接连接，该区域的焊缝将承受复杂的复合应力状态，包括拉应力、压应力、剪应力和弯矩的组合。焊接工艺应特别注意以下方面：

• 焊缝应采用全熔透焊接，确保焊缝与母材等强；
• 焊接顺序应经过优化，以减小焊接残余应力和变形；
• 焊后应进行消应力热处理；
• 焊缝应进行100%无损检测，包括RT和UT；
• 对于厚壁钢管，应考虑多层多道焊工艺，控制每道焊的热输入。

抗震设计建议

基于文献的研究结果，我提出以下抗震设计建议：

1. 加强拱肋的面外刚度。建议适当增加横系梁的密度和刚度，或采用变截面横系梁，在拱顶和拱脚区域加密布置。横系梁与拱肋的连接应采用刚性连接，确保面外刚度的有效传递。
2. 优化拱肋截面设计。钢管混凝土拱肋的截面设计应同时考虑面内和面外承载能力。对于面外刚度不足的拱肋，可考虑采用箱形截面或设置加劲肋，以提高面外抗弯刚度。
3. 重视内外拱连接处的设计。该区域应作为抗震设计的重点部位，建议采用延性好的连接构造，如柔性连接或设置耗能装置，以减小地震作用下的内力集中。
4. 考虑地震作用对内力的影响。在拱肋内力计算中，应将地震作用作为基本荷载工况之一，确保拱肋在地震作用下的安全性和适用性。
5. 钢管制造质量控制。钢管混凝土拱肋的钢管制造质量直接影响拱肋的承载性能和抗震性能。建议严格按照相关标准（如GB/T 8163、ASTM A53、API 5L等）进行钢管的制造、检验和验收，确保钢管的材质、壁厚、表面质量和几何尺寸满足设计要求。

工程实践启示

该文献的研究结果对于中承式钢管混凝土拱桥的抗震设计具有重要的参考价值。从钢管制造与焊接的角度来看，钢管混凝土拱桥的抗震性能不仅取决于结构设计，还与钢管本身的制造质量和焊接工艺密切相关。钢管的材质均匀性、壁厚偏差、焊缝质量等因素都会影响拱肋的承载力和抗震性能。在实际工程中，应建立从钢管采购、制造、运输到安装的全过程质量控制体系，确保钢管混凝土拱桥的结构安全。

此外，该文献的研究方法——基于空间有限元模型的动力特性分析和反应谱法地震反应计算——对于其他类型钢管混凝土桥梁的抗震分析也具有借鉴意义。随着钢管混凝土结构在桥梁工程中的广泛应用，其抗震性能的研究也将成为重要的技术发展方向。

总结

这篇文献系统地分析了5跨连续中承式钢管混凝土拱桥的动力特性和抗震性能，揭示了横桥向和纵桥向地震作用对拱肋内力的不同控制作用，提出了内外拱连接处应作为控制点的重要观点。对于钢管制造与焊接技术人员而言，该研究强调了钢管质量对桥梁抗震性能的重要影响，提示我们在钢管制造和焊接过程中应严格控制材质、壁厚、焊缝质量等关键指标，确保钢管混凝土拱桥的抗震安全。