鋼桁架連續(xù)梁“橋建合一”結構抗震性能研究

黃真會

為實現對鋼桁架連續(xù)梁“橋建合一”結構的抗震性能研究，可圍繞多遇地震，選擇兩個軟件進行復核驗算，并同時圍繞罕遇地震作用、盆式支座剛度及位移、橋梁豎向振動等方面進行驗算，這一過程中計算軟件的科學選用極為關鍵。

1.工程概況

1.1 具體情況

本文研究選擇的公共連橋用于連接兩個商業(yè)地塊，全長200m，以人行過街天橋為主要功能，兩側橋臺為鋼筋混凝土結構，鋼結構鋼架橋臺設置于公共連橋中間。具體采用兩跨設計，按照軸線距離計算，左側、右側的跨度分別為90m、75m。鋼結構桁架處兩側公共連橋選擇剛接，滑移支座設置于混凝土橋臺順橋方向，固定支座用于垂直橋方向。公共連橋選擇兩層設計，橋身寬度13m～20m，總高度為20.8m，輕鋼結構頂棚設置于上人屋面。公共連橋主結構為2 榀兩層通高鋼結構桁架，布置于主橋面兩側，H 型鋼構件用于腹桿及弦桿處，樓面鋼梁連接桁架間，樓面支撐體系基于交叉鋼梁構成，鋼筋桁架板設置于鋼梁上得到組合樓板。盆式支座連接混凝土橋臺與公共連橋主結構，為保證溫度變化下大跨度結構水平變形的充分釋放，選擇滑動支座設計，地震作用效應可同時減小[1]。

1.2 基本參數

公共連橋的兩端橋臺選擇C40 強度等級的混凝土用于核心筒設計，公共連橋樓板、核心筒內梁板則選擇C30強度等級的混凝土，基礎底板及樁基選擇C35 等級的混凝土。公共連橋結構使用年限為50 年，擁有二級的安全等級、一級的耐火等級及甲級的地基基礎設計，工程的±0.000 對應4.200m（85 國家高程）。案例公共連橋的地面粗糙度類別為B，基本風壓、基本雪壓、風載體型系數分別為0.45kN/m2、0.40kN/m2、1.40，溫度荷載的最大升溫差、最大降溫差、基準溫度分別為+20℃、-30℃、20℃。建筑場地類別、基本地震加速度、抗震設防烈度分別為Ⅲ類、0.10g、7 度（第一組），存在周期小震的場地特征，中震、大震分設計特征周期分別為0.54s、0.59s?；谪Q向地震作用考量，以水平地震影響系數最大值的0.65 倍為豎向地震影響系數最大值，小震、中大震的周期折減系數分別取0.9、1，鋼結構在小、中、大震下的阻尼比均為0.02，混凝土在小中震、大震下的阻尼比分別為0.05、0.06[2]。

2.公共連橋結構設計

2.1 結構體系

公共連橋的橋臺與主結構間連接選擇盆式支座設計，溫度變化下大跨度結構的水平變形由滑動支座充分釋放，鋼筋壓型鋼板組合土樓板為該公共連橋的樓蓋體系。鋼梁與栓釘負責混凝土現澆板連接，桁架樓面整體剛度因此提升。在受力分析環(huán)節(jié)，出于安全考慮，不將樓板作用涵蓋在內，避免樓板承擔桁架桿件拉壓力導致得到減小的桁架桿件計算內力。在公共連橋振動及變形分析環(huán)節(jié)，樓板有效作用需考慮在內，按彈性板進行樓板計算，樓板面內外剛度需真實考慮。

2.2 地震作用系數

結合上文分析可以發(fā)現，案例公共連橋存在鋼桁架-鋼筋混凝土筒體體系，以及兩跨橋身，實腹鋼桁架兩層高，并存在鋼結構的中間橋墩，兩側橋墩的主要抗側力結構為鋼筋混凝土筒體，結合現行規(guī)范進行分析可以發(fā)現，該公共連橋屬于丁類橋梁，應存在B 類的抗震設防分類，抗震分析和抗震驗算需要在E1 地震作用下針對性開展。由于案例公共連橋同時屬于非規(guī)則橋梁，抗震分析中計算方法可以選擇多振型反應譜法/線性或非線性時程方法（MM/TH）。結合《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ166-2011）進行分析可以發(fā)現，E1 地震調整系數、設計加速度反應譜最大值應分別選擇0.35、0.079，與《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）中0.08 的多遇地震水平地震影響系數最大值（7 度）接近，因此采用兩種規(guī)范能夠得到基本相同的多遇地震的地震作用?？紤]到案例公共連橋的跨度較大且擁有民用功能，因此抗震性能分析需結合《建筑抗震設計規(guī)范》開展，以此保證地震作用下該公共連橋的可靠性[3]。

2.3 抗震性能目標

對屬于大跨結構的案例公共連橋來說，抗震需要以大震不倒、中震可修、小震不壞為目標。由于抗震設計基于性能開展，需結合公共連橋特色情況及建造費用、場地條件、抗震設防烈度與類別、震后修復難易程度及損失等因素開展綜合考慮，具體可得到表1 所示的抗震性能目標。

表1 抗震性能目標

2.4 抗震性能分析

案例公共連橋的抗震性能分析主要圍繞兩部分進行，包括多遇地震和罕遇地震。圍繞多遇地震作用時開展抗震性能分析，選擇YJK 軟件和Midas Gen 軟件兩種有限元計算程序開展針對性復核驗算。需選擇足夠多振型，開展結構抗震計算，保證存在大于90%總質量要求的振型參與有效質量，最不利組合下橋身支座豎向拉力是否產生需同時進行驗算。選擇振型分解反應譜法開展水平地震作用計算，振型分解反應譜法用于橋身桁架部分豎向地震計算。

圍繞罕遇地震作用開展抗震性能分析，選擇YJK 軟件開展大震下結構等效彈性分析，設計特征周期、地震影響系數最大值、周期折減系數、連梁剛度折減系數分別取0.59、0.5、1、0.5，混凝土、鋼的阻尼比分別取0.06、0.02?；谂枋较鹉z支座固定的橋身支座，以及10%豎向承載力的水平承載力，基于過大的水平力進行考慮，混凝土與下弦鋼板間在支座破壞后存在0.15 的摩擦系數，核心筒會受到0.15 豎向承載力的最大水平力，實際產生的水平力通過模型支座剛度調整進行分析。橋身支座在罕遇地震作用下出現滑移，為滿足不與橋身碰撞要求，結合核心筒振動，需開展靜力彈塑性分析計算，主要圍繞兩個混凝土核心筒、結構整體獨立進行計算，以此完成彈塑性行為的評價，分析罕遇地震下關鍵節(jié)點最大基底剪力及最大位移，保證結構不會在大震作用下損壞。橋臺支座節(jié)點在單獨計算需結合桁架對橋臺的不利影響進行橋身桁架傳遞重力施加，開展靜力推覆分析可以確定，兩個推覆方向性能點在結構整體計算時存在1/440 的層間最大位移角最大值，分別計算時兩個混凝土橋臺的對應值為1/555，由于小于1/50 最大層間位移角的規(guī)范規(guī)定，可確定案例公共連橋結構的安全儲備較大[4]。

2.5 橋臺支座設計

設計計算中橋身桁架支座處支座反力可以發(fā)現，大震工況下支座處存在-165kN 的最小反力，拉力未產生，因此支座處橋身脫離支座的滑移不會出現。

2.6 溫度應力分析

樓板及桁架應力基于Midas Gen 軟件開展分析，由此可確定，桁架桿件的壓應力在溫度作用下存在11.4N/mm2的最大值，拉應力則為14.5N/mm2，存在5%鋼材應力左右的應力最大值，鋼結構應力受到的影響較小，這是由于設計將滑移支座設置在順橋跨方向兩端，大位移得以釋放，因此存在較小溫度應力。

3.結論

綜上所述，鋼桁架連續(xù)梁“橋建合一”結構抗震性能會受到多方面因素影響。在此基礎上，本文研究涉及的Midas Gen 軟件和YJK 軟件、抗震性能分析、橋臺支座設計、溫度應力分析等內容，則直觀展示了可行性較高的“橋建合一”結構抗震性能研究路徑。研究使用的兩種力學模型軟件存在基本吻合的計算結果，這說明二者均具備較高實際應用價值，大震作用下案例公共連橋的支座變形及耗能能力通過合理設計得到保證，同時預留的支座位移空間使得設計更具實用性。