夏夢(mèng)君，李利平，高子坤，李旭平，李江烽，葉雨兒

（麗水學(xué)院 工學(xué)院，浙江 麗水 323000）

木拱廊橋是木結(jié)構(gòu)橋梁中的一種典型橋梁結(jié)構(gòu)，其具有超高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。目前，針對(duì)木拱廊橋的研究多為受力機(jī)理方面。根據(jù)對(duì)其受力機(jī)理的有限元及試驗(yàn)分析，研究結(jié)果表明木拱廊橋結(jié)構(gòu)受力均勻，具有良好的力學(xué)性能[1-3]；根據(jù)木拱廊橋橋體建立2維平面力學(xué)結(jié)構(gòu)分析模型，木拱廊橋是有限次的靜定結(jié)構(gòu)，在某種情況下可能是瞬變體系，甚至是幾何可變體系（泰順文興橋變形，變成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，原本記載是對(duì)稱結(jié)構(gòu)）[4-5]；針對(duì)木拱廊橋的靜力荷載試驗(yàn)研究表明，木拱廊橋五節(jié)苗中部有支撐能夠有效減小木拱廊橋的非對(duì)稱變形[6]；關(guān)于對(duì)木拱廊橋的修復(fù)研究表明，木拱廊橋腐爛較為嚴(yán)重，針對(duì)腐爛的構(gòu)件進(jìn)行更換加固具有良好的加固效果[7]。

針對(duì)于木拱廊橋的地震響應(yīng)研究甚少，僅有少數(shù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了初步研究。木拱廊橋在地震作用下具有一定的抗震性能，結(jié)構(gòu)第一階振型為橫向平動(dòng)，第二階振型為豎向平動(dòng)，第三階振型為扭轉(zhuǎn)，受力最大位置為三、五節(jié)苗的斜苗位置[8-10]。根據(jù)本人對(duì)于麗水地區(qū)的地震情況研究發(fā)現(xiàn)，麗水慶元地區(qū)的地震發(fā)生頻率較高，從1976年始監(jiān)測(cè)到的地震有40余次，在浙江省的歷史上發(fā)生過(guò)的M≥4.7級(jí)破壞性地震中，麗水慶元縣發(fā)生過(guò)5.5級(jí)地震[11-12]。

麗水慶元縣有多座木拱廊橋，多為國(guó)家文物保護(hù)單位，其代表性木拱廊橋有如龍橋、濛洲橋及詠歸橋等，而如龍橋是全國(guó)迄今有確切記年、使用壽命最長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及工藝非常精湛的木拱廊橋。另外，如龍橋在歷史上由于發(fā)生過(guò)地震，經(jīng)歷過(guò)多次修繕，其結(jié)構(gòu)損傷較大，對(duì)其進(jìn)行地震分析具有一定的必要性。因此，本文建立了麗水慶元縣典型木拱廊橋如龍橋的有限元模型，進(jìn)行靜荷載作用下的內(nèi)力分析和常遇地震下的動(dòng)力時(shí)程分析，探究木拱廊橋的內(nèi)力分布與抗震性能，結(jié)果可為木拱廊橋的修繕提供一定參考。

1 地震波選取

根據(jù)麗水慶元縣地質(zhì)研究，該地區(qū)發(fā)生的地震震級(jí)在6級(jí)范圍內(nèi)，選取3條震級(jí)在麗水慶元地區(qū)震級(jí)范圍內(nèi)的地震波，分別為南京波、天津波和蘭州波，地震波基本信息見(jiàn)表1，地震波的加速度反應(yīng)譜如圖1所示。

表1 地震波信息表

圖1 地震波加速度反應(yīng)譜

2 建立有限元模型

2.1 木拱廊橋概況

本文擬用麗水慶元縣典型木拱廊橋如龍橋?yàn)檠芯繉?duì)象，如龍橋全長(zhǎng)28.2 m，拱跨14.1 m，凈跨19.5 m，面闊6 m，木拱廊橋由拱架和廊屋2部分組成，拱架為編織拱結(jié)構(gòu)，其主要由三節(jié)苗、五節(jié)苗及牛頭通過(guò)榫卯連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。廊屋如普通木結(jié)構(gòu)房子，但是木拱廊橋廊屋部分的柱子運(yùn)用了穿梁結(jié)構(gòu)，具有更好的穩(wěn)定性。

圖2 木拱廊橋結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 木拱廊橋拱架非線性參數(shù)

本文針對(duì)木拱廊橋的拱架部分進(jìn)行深入研究，運(yùn)用SAP2000建立木拱廊橋的有限元模型，根據(jù)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[13]，拱架部分的牛頭一般選擇韌性好、硬度高的栲木等闊葉木材為原料，材料強(qiáng)度等級(jí)為TB15及以上；三、五節(jié)苗一般選用針葉木材為原料，材料強(qiáng)度等級(jí)為TC13，木拱廊橋材料屬性信息見(jiàn)表2。建立有限元模型時(shí)，設(shè)置為等粗細(xì)的木材，即兩端直徑相同。

表2 木拱廊橋拱架的材料屬性信息

木拱廊橋中節(jié)點(diǎn)連接方式均為榫卯連接，榫卯節(jié)點(diǎn)連接具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，其屬于半剛性節(jié)點(diǎn)連接，在建立模型時(shí)將榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)放松，達(dá)到榫卯節(jié)點(diǎn)的半剛性。關(guān)于建模時(shí)榫卯節(jié)點(diǎn)的處理為：根據(jù)力學(xué)分析牛頭可沿Y、Z方向平動(dòng)及X方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即將該節(jié)點(diǎn)Y、Z方向平動(dòng)及X方向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行放松設(shè)置；根據(jù)力學(xué)分析枕木可沿X方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即將該節(jié)點(diǎn)X方向進(jìn)行放松設(shè)置。

3 木拱廊橋拱架靜載內(nèi)力分析

荷載設(shè)計(jì)值為恒荷載為3.5kN·m-2，活荷載3.5 kN·m-2，木拱廊橋拱架在靜力荷載作用下受力結(jié)果如圖3—圖6所示。

圖3 木拱廊橋拱架靜載作用下變形圖

由圖3可知：木拱廊橋拱架在靜力荷載作用下變形小，受力均勻。木拱廊橋在靜力荷載作用下變形由上向下逐漸減小，變形最大的位置為最上層的木縱梁，由木縱梁傳遞至五節(jié)苗，五節(jié)苗傳遞至三節(jié)苗。五節(jié)苗變形較木縱梁小，三節(jié)苗變形較五節(jié)苗小。

由圖4可知：木拱廊橋拱架在靜力荷載作用下軸力分布不同，軸力主要位于木縱梁和五節(jié)苗中部。木縱梁的軸力較大；五節(jié)苗中間苗木軸力最大，其次為兩邊的苗木，最邊上的苗木軸力較?。蝗?jié)苗整體軸力較小，中間苗木較兩邊的苗木軸力大。

圖4 木拱廊橋拱架荷載作用下軸力圖

由圖5可知：木拱廊橋拱架在靜力荷載作用下剪力分布不同，剪力集中分布在三、五節(jié)苗的兩邊苗木上，三節(jié)苗剪力相比于五節(jié)苗剪力小。三節(jié)苗剪力較小；五節(jié)苗的平苗兩邊的苗木剪力最大。

圖5 木拱廊橋拱架荷載作用下剪力圖

由圖6可知：木拱廊橋拱架在靜力荷載作用下內(nèi)力分布均勻。將軍柱上端內(nèi)力較大；木縱梁中部?jī)?nèi)力較大；三節(jié)苗中間節(jié)苗內(nèi)力較大、五節(jié)苗中間三個(gè)節(jié)苗內(nèi)力較大。

圖6 木拱廊橋拱靜力荷載作用下內(nèi)力圖

4 木拱廊橋拱架地震響應(yīng)研究

4.1 木拱廊橋拱架抗震性能

對(duì)木拱廊橋拱架在常遇地震作用下非線性時(shí)程分析，結(jié)果如圖7—圖9所示。

由圖7可知：木拱廊橋拱架在地震作用下變形不大，各節(jié)點(diǎn)基本完整，沒(méi)有發(fā)生破壞；局部一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生偏移。

圖7 木拱廊橋拱架地震作用下最終變形圖

由圖8可知：木拱廊橋拱架在不同地震波作用下榫卯節(jié)點(diǎn)位移具有差異。木拱廊橋拱架在地震作用下榫卯節(jié)點(diǎn)位移較小，均未超過(guò)100 mm，總體上木拱廊橋拱架在地震作用下具有良好的抗震性能。

圖8 木拱廊橋拱架地震作用下榫卯節(jié)點(diǎn)位移圖

由圖9可知：木拱廊橋拱架在不同地震波作用下榫卯節(jié)點(diǎn)反力具有差異。木拱廊橋拱架在地震作用下榫卯節(jié)點(diǎn)反力較小，均未超過(guò)10 kN。木拱廊橋拱架在地震作用下榫卯節(jié)點(diǎn)能夠吸收地震的大部分能量，木拱廊橋拱架榫卯節(jié)點(diǎn)具有良好的吸能效果。

圖9 木拱廊橋拱架地震作用下榫卯節(jié)點(diǎn)反力圖

4.2 木拱廊橋拱架損傷

對(duì)木拱廊橋拱架在常遇地震作用下非線性時(shí)程分析可知：木拱廊橋在南京波、天津波及蘭州波作用下?lián)p傷情況相似，現(xiàn)以蘭州波作用下的損傷為例，其損傷結(jié)果如圖10所示。

由圖10（a）可知：木拱廊橋拱架在地震作用下總體損傷較小，不同位置損傷情況具有較大差異。

圖10 木拱廊橋拱架地震作用下最終變形圖

由圖10（b）、（c）可知：木拱廊橋拱架損傷較大的位置位于牛頭處；三節(jié)苗損傷嚴(yán)重的位置位于左邊邊苗，可看出其與平苗連接處牛頭損傷較桿件嚴(yán)重；三節(jié)苗中間苗木損傷嚴(yán)重，特別是三節(jié)點(diǎn)中間苗木的牛頭處損傷最大；將軍柱上部損傷較大。

5 結(jié)論

通過(guò)建立木拱廊橋拱架的有限元模型進(jìn)行內(nèi)力分析和在常遇地震作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)論如下。

（1）木拱廊橋拱架受力均勻，其力的傳遞性能好，結(jié)構(gòu)合理。

（2）木拱廊橋拱架抗震性能良好，榫卯節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)良的吸能效果。

（3）木拱廊橋拱架在地震作用下牛頭處損傷最嚴(yán)重，特別是三節(jié)苗中間苗木的牛頭處，修繕時(shí)需予以注意。