剪力釘剛度對鋼板組合梁橋地震響應(yīng)的影響研究

劉慧慧，周小伍

（1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

工廠化加工和易于施工使得鋼板組合梁橋在公路建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。剪力連接件作為連接混凝土橋面板和鋼主梁的關(guān)鍵構(gòu)件，雖具有較大的剛度但在強震作用下仍會發(fā)生損傷[2]。理論以及試驗?zāi)Ｐ捅砻?，剪力連接件的剛度降低可以使結(jié)構(gòu)基頻降低[3，4]，顯著影響地震響應(yīng)[5，6]。試驗亦說明降低剪力連接件的剛度可增加組合梁的延性[7]。上述研究僅限于分析連接件的剛度折減對結(jié)構(gòu)動力特性以及響應(yīng)的影響，針對連接件失效的這一極端工況研究還未見報道。因此，本文以新型支撐橫梁體系鋼混組合梁結(jié)構(gòu)為工程背景，基于有限元分析剪力連接件失效后的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律。

2 橋梁模型

以濟(jì)南至祁門高速公路合肥至淮南段采用的支撐橫梁體系鋼板組合梁橋為依托工程，取一種具有代表性的一聯(lián)4×35m支撐橫梁體系鋼板組合梁橋作為算例橋梁，采用通用有限元軟件SAP2000分別建立剪力連接件設(shè)計剛度和完全失效后的2種全橋非線性抗震有限元模型，進(jìn)行橋梁地震響應(yīng)分析，研究鋼板組合梁橋地震響應(yīng)規(guī)律對于剪力連接件剛度的敏感度。

在建立支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的非線性抗震有限元模型時，其鋼板組合梁的預(yù)制混凝土橋面板采用彈性板單元模擬，工字形鋼縱梁和鋼橫梁采用框架單元模擬，混凝土橋面板與鋼主梁、鋼橫梁的剪力釘連接采用連接單元模擬，并通過賦予連接單元剛度來考慮剪力連接件的剛度及其非線性。針對本算例橋梁，剪力連接件單根直徑22mm、長190mm，材料為ML15焊釘，參考文獻(xiàn)計算其單根剛度為36000kN/m[9-10]。假設(shè)剪力連接件失效，則混凝土橋面板與鋼梁之間僅存在摩擦作用，摩擦作用引起的剛度約為設(shè)計剛度的千分之一。剪力連接件和摩擦作用均采用LINK單元模擬。

支座采用Plastic-Wen單元，橋墩采用空間框架單元模擬，承臺采用質(zhì)量點模擬，樁基礎(chǔ)采用6彈簧模擬，彈簧剛度按傳統(tǒng)“m”法計算得到[8]，承臺與樁基礎(chǔ)之間采用主從約束進(jìn)行模擬，算例橋梁的非線性抗震有限元模型具體見圖1。

3 地震動輸入

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG-T B02-01-2008）的相關(guān)規(guī)定對算例橋梁進(jìn)行非線性動力時程分析。根據(jù)E2水準(zhǔn)地震作用下相應(yīng)的水平向加速度設(shè)計反應(yīng)譜，采用生成人工生成時程的方法，生成對應(yīng)E2水準(zhǔn)地震的7條人工波，并將人工波的加速度反應(yīng)譜與設(shè)計加速度反應(yīng)譜進(jìn)行對比驗證，具體見圖2。分析圖2可知，7條人工的加速度反應(yīng)譜與設(shè)計加速度反應(yīng)譜匹配良好，能夠代表工程場地與E2水準(zhǔn)地震作用相匹配的地震動水平。而且，地震激勵方向采用沿縱橋向和橫橋向2種方式，不考慮豎向地震動作用。

圖1 支撐橫梁體系鋼板組合梁橋非線性抗震有限元模型

圖2 人工波加速度反應(yīng)譜與設(shè)計加速度反應(yīng)譜對比圖（E2地震水準(zhǔn)）

4 地震響應(yīng)分析

對上述考慮剪力連接件設(shè)計剛度和完全失效后的2種全橋非線性抗震有限元模型分別進(jìn)行動力時程分析，并取7條人工波的時程分析結(jié)果的平均值作為結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，分析剪力連接件剛度及其非線性對于支撐橫梁體系鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響程度。

4.1 橋墩

在地震作用下，橋墩是梁橋結(jié)構(gòu)中的重要耗能構(gòu)件，故需要分析剪力連接件的剛度及其非線性對于橋墩地震響應(yīng)的影響程度。但限于篇幅，利用算例橋梁的結(jié)構(gòu)對稱性，本文僅列出1#～3#橋墩控制截面的地震響應(yīng)，具體見表1。對比分析表1可知，剪力連接件的剛度及其非線性對橋墩墩底截面的剪力與彎矩影響顯著。例如，由于剪力連接件的失效，使得混凝土橋面板與鋼主梁、鋼橫梁之間產(chǎn)生了相對滑移，導(dǎo)致墩底截面在縱橋向的剪力和彎矩最大分別降低了21.61%和23.15%，在橫橋向的剪力和彎矩最大分別降低29.38%和29.09%，表明由于剪力連接件進(jìn)入非線性后導(dǎo)致的梁板相對滑移能夠起到減震耗能作用，對鋼板組合梁橋的橋墩抗震有利。

4.2 承臺底反力

分析表2可知，剪力連接件失效后，承臺底在縱橋向和橫橋向的剪力、彎矩均大幅降低。例如，承臺底縱橋向的剪力和彎矩最大降低13.27%和20.59%，橫橋向的剪力和彎矩最大降低25.67%和29.47%。因此，剪力連接件進(jìn)入非線性后導(dǎo)致的梁板相對滑移對于承臺底內(nèi)力的影響也較為顯著，從而影響到樁基礎(chǔ)的受力。從影響程度上看，剪力連接件的剛度降低會減小樁基礎(chǔ)的受力，實際上也對橋梁抗震有利。

4.3 剪力連接件滑移

同時選取全橋受力最大的剪力連接件滑移作為分析對象，相應(yīng)的縱橋向和橫橋向剪力連接件最大滑移計算結(jié)果見表3可知。對比分析表3可知，沿縱橋向激勵時，位于鋼主梁兩中跨跨中位置處的剪力連接件受力最大；沿結(jié)構(gòu)橫橋向激勵時，位于3#橋墩位置的中橫梁上跨中位置處的剪力連接件受力最大。

值得注意的是，當(dāng)剪力連接件失效時，滑移值迅速增大，縱橋向最大達(dá)27.9mm，橫橋向最大達(dá)到31.8mm。因此，在地震作用下，剪力連接件的失效，會使得梁板之間的相對滑移驟增，從而影響到混凝土橋面板和鋼梁之間的組合作用，大大降低了鋼板組合梁的整體性。

5 結(jié)論

本文以支撐橫梁體系鋼板組合梁橋為研究對象，建立了能夠考慮剪力連接件剛度的非線性抗震有限元模型，對比分析了剪力連接件的剛度及其非線性對于鋼板組合結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

①剪力連接件進(jìn)入非線性引起的剛度降低會減小橋墩、樁基礎(chǔ)等地震易損構(gòu)件的剪力和彎矩響應(yīng)，且對橫橋向地震響應(yīng)的影響大于縱橋向；

剪力連接件剛度對于橋墩各控制截面地震響應(yīng)的影響 表1

剪力連接件剛度對承臺底地震響應(yīng)的影響 表2

剪力連接件失效對應(yīng)的縱、橫橋向梁板滑移峰值 表3

②剪力連接件的剛度降低也會增加混凝土橋面板與鋼主梁、鋼橫梁之間的相對滑移，但這種滑移及其摩擦作用在一定程度上起到了減震耗能的作用，對鋼板組合梁橋抗震有利。