某钢桁架连续梁“桥建合一”结构抗震性能分析

张同进 （中铁四院集团新型轨道交通设计研究有限公司，江苏 苏州 215011）

1 工程概况

本项目位于苏州太湖，北靠吴中新城，东傍太湖水系。主体为一连接两个商业地块的公共联桥。联桥主要功能为人行过街天桥，总长度约200m，两侧共设置两个钢筋混凝土天桥桥台，中间设置钢结构钢架桥台。天桥分两跨，左侧跨度约90m（轴线距离），右侧约75m（轴线距离）。两侧天桥在钢结构桁架处采用刚接，两侧混凝土桥台顺桥方向采用滑移支座，垂直桥方向采用固定支座。天桥桥身宽度约13～20m，层数2 层，桥身总高20.8m，上人屋面，上设轻钢结构顶棚。如图1 所示。

图1 钢联桥效果图

天桥主结构采用2 榀两层通高钢结构桁架，沿主桥面两侧布置，弦杆及腹杆采用H 型钢构件，桁架间利用楼面钢梁连接，并布置交叉钢梁以形成楼面支撑体系，钢梁上布置钢筋桁架板形成组合楼板。天桥主结构与混凝土桥台间采用盆式支座连接，利用滑动支座充分释放大跨度结构在温度变化下的水平变形，同时减小地震作用效应。

2 设计基本参数

2.1 基本参数

两端桥台核心筒混凝土强度等级C40；核心筒内梁板、天桥楼板混凝土强度等级C30。桩基及基础底板采用C35，基础垫层采用C15。结构设计使用年限：50 年。建筑结构安全等级：二级（γ=1.0）。建筑地基基础设计等级：甲级。建筑耐火等级为一级。±0.000 相当于85 国家高程4.200m。基本风压：0.45 kN/m；地面粗糙度类别：B 类，风载体型系数：1.40。基本雪压：0.40 kN/m。温度荷载：基准温度为20℃，最大升温差+20℃，最大降温差- 30℃。

2.2 抗震设计参数

抗震设防烈度：7 度（第一组），设计基本地震加速度：0.10g，建筑场地类别：Ⅲ类，场地特征周期小震、中震取Tg＝0.54s、大震Tg＝0.59s。考虑竖向地震作用，竖向地震影响系数最大值取0.65 倍水平地震影响系数最大值αmax。周期折减系数：0.9（小震），1（中、大震）；阻尼比：钢结构0.02（小、中、大震）；混凝土0.05（小、中震），0.06（大震）。

3 结构设计

3.1 地震作用系数

结构采用钢桁架- 钢筋混凝土筒体体系，人行天桥两端分别为2014- G- 48(1)号地块和2014- G- 48(2)号地块，桥身共计两跨，采用两层高的实腹钢桁架，中间桥墩采用钢结构，两侧桥墩采用钢筋混凝土筒体作为主要的抗侧力结构。根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166- 2011）中第三章判断，属于丁类桥梁，抗震设防分类及抗震设计方法为B类，应进行E1 地震作用下的抗震分析和抗震验算，且本工程符合表6.1.2 中非规则桥梁的定义，在E1 地震作用下可采用MM/TH（多振型反应谱法/线性或非线性时程计算方法）进行抗震分析。

由《城市桥梁抗震设计规范》表3.2.2 可确定E1 地震调整系数Ci=0.35，由式5.2.1- 2 可得设计加速度反应谱 最 大 值 Smax=2.25A=2.25 ×0.35 ×0.1=0.079，与《建筑抗震设计规范》（GB50011- 2010）（2016 年版）中7 度（0.1g）多遇地震水平地震影响系数最大值αmax=0.08 相近，即参照《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166- 2011）确定的地震作用与民用建筑多遇地震的地震作用相当。考虑到该天桥为连接商业综合体之间的人行天桥，承担着民用功能，且桥体跨度较大，故按《建筑抗震设计规范》对其进行抗震性能分析，保证天桥在相应地震作用下的可靠性。

3.2 结构体系

天桥主结构与桥台间采用盆式支座连接，利用滑动支座充分释放大跨度结构在温度变化下的水平变形。楼盖体系采用钢筋压型钢板组合土楼板。混凝土现浇板通过栓钉与钢梁连接，加强天桥桁架楼面整体刚度。天桥桁架受力分析时，为安全起见，不考虑楼板作用，避免桁架杆件拉压力被楼板承担，导致桁架杆件计算内力减小偏不安全。在变形分析及天桥振动分析时，考虑楼板的有效作用，楼板按弹性板计算，真实考虑楼板面内外刚度。

3.3 抗震性能目标

本工程属于大跨结构，为实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标，采用基于性能的抗震设计方法，结合工程的特殊情况并综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，设定本工程的抗震性能目标，详见表1。

3.4 多遇地震作用

首先，结构抗震计算分析采用2 个基于三维力学模型的有限元计算程序复核验算（如图2、图3 所示），表1 给出了两种软件计算的主要结果对比；其次，结构抗震计算时选取足够多的振型，满足振型参与的有效质量大于总质量90%的要求；验算桥身支座竖向最不利组合情况下是否会出现拉力；本项目水平地震作用采用振型分解反应谱法进行计算，对桥身桁架部分的竖向地震采用振型分解反应谱法进行计算，设计内力考虑双向地震作用的包络。

抗震性能目标 表1

两种软件计算结果对比 表2

3.5 罕遇地震作用

图2 MIDAS GEN 计算模型

图3 YJK 计算模型

结构在大震下的等效弹性分析采用YJK 软件，地震影响系数最大值为0.5，设计特征周期Tg=0.59s，周期折减系数取1，阻尼比0.02（钢），0.06（混凝土），连梁刚度折减系数取0.5。桥身支座处由于盆式橡胶支座固定，水平承载力为竖向承载力Nmax 的10%，考虑水平力过大，支座破坏后下弦钢板与混凝土之间的摩擦系0.15，核心筒所受的最大水平力为0.15Nmax，通过调整模型支座刚度来模拟实际产生的水平力情况进行分析。

罕遇地震作用下，桥身支座发生滑移，核心筒振动需满足不与桥身碰撞的要求，对结构整体及两个混凝土核心筒进行独立的静力弹塑性分析计算，以评价结构在罕遇地震下的弹塑性行为，分析关键节点在罕遇地震下的最大位移以及最大基底剪力，保证大震作用下结构不损坏，一般维修后可继续使用。

单独计算时在桥台支座节点上施加桥身桁架传递的重力值以考虑桁架对桥台的不利影响，对大震下对结构整体及两个混凝土核心筒桥墩进行静力推覆分析，得到桥整体与桥墩跨方向的能力/需求曲线，如图4（仅给出X向）。

图4 整体推覆0°(X 向)

由上图可知，在罕遇地震作用下，结构整体计算时在两个推覆方向性能点的层间最大位移角最大值为1/440，两个混凝土桥台分别计算时在两个推覆方向性能点的层间最大位移角最大值为1/555，该值小于规范规定的最大层间位移角1/50，并且离限值较远，说明结构具有较大的安全储备。

3.6 桥台支座设计

桥台支座的布置详桥台支座示意图5，针对桥身桁架支座处的支座反力进行分析，详桥台位移及支座反力表3，支座处在大震工况下的最小反力为- 166kN，未出现拉力，故桥身不会在支座处出现脱离支座的滑移（表中的负号表示受压，正号表示受拉）。

3.7 温度应力分析

采用midas gen 软件对楼板及桁架应力进行分析，分析结果详图6。

图5 桥台支座示意图

桥台位移及支座反力表 表3

分析结果表明，在温度作用下，桁架杆件的压应力最大值为11.5 N/mm，拉应力最大值为14.6N/mm温度作用，应力最大值约占钢材应力的5%，对钢结构的应力影响较小，分析其原因，由于顺桥跨方向两端设置了滑移支座，释放了大位移，因此温度应力较小。

4 结论

图6 桁架降温30 度应力图

本文通过YJK及MIADS GEN 两个不同力学模型的软件对比分析，两个软件的计算结果基本吻合，说明软件计算结果正确可靠。对结构进行多遇地震作用下承载力设计、补充小震弹性时程分析、设防地震下的弹性计算及大震不屈服验算、罕遇地震下的静力弹塑性分析。结果均满足《建筑抗震设计规范》（GB50011- 2010）要求。对盆式橡胶支座特殊构件进行分析，天桥支座均不受拉，天桥支座通过合理设计保证中大震作用下的支座变形及耗能能力，并预留足够的支座位移空间。结构竖向自振频率≤3Hz。