钢桁架连续梁“桥建合一”结构抗震性能研究

黄真会

为实现对钢桁架连续梁“桥建合一”结构的抗震性能研究，可围绕多遇地震，选择两个软件进行复核验算，并同时围绕罕遇地震作用、盆式支座刚度及位移、桥梁竖向振动等方面进行验算，这一过程中计算软件的科学选用极为关键。

1.工程概况

1.1 具体情况

本文研究选择的公共连桥用于连接两个商业地块，全长200m，以人行过街天桥为主要功能，两侧桥台为钢筋混凝土结构，钢结构钢架桥台设置于公共连桥中间。具体采用两跨设计，按照轴线距离计算，左侧、右侧的跨度分别为90m、75m。钢结构桁架处两侧公共连桥选择刚接，滑移支座设置于混凝土桥台顺桥方向，固定支座用于垂直桥方向。公共连桥选择两层设计，桥身宽度13m～20m，总高度为20.8m，轻钢结构顶棚设置于上人屋面。公共连桥主结构为2 榀两层通高钢结构桁架，布置于主桥面两侧，H 型钢构件用于腹杆及弦杆处，楼面钢梁连接桁架间，楼面支撑体系基于交叉钢梁构成，钢筋桁架板设置于钢梁上得到组合楼板。盆式支座连接混凝土桥台与公共连桥主结构，为保证温度变化下大跨度结构水平变形的充分释放，选择滑动支座设计，地震作用效应可同时减小[1]。

1.2 基本参数

公共连桥的两端桥台选择C40 强度等级的混凝土用于核心筒设计，公共连桥楼板、核心筒内梁板则选择C30强度等级的混凝土，基础底板及桩基选择C35 等级的混凝土。公共连桥结构使用年限为50 年，拥有二级的安全等级、一级的耐火等级及甲级的地基基础设计，工程的±0.000 对应4.200m（85 国家高程）。案例公共连桥的地面粗糙度类别为B，基本风压、基本雪压、风载体型系数分别为0.45kN/m2、0.40kN/m2、1.40，温度荷载的最大升温差、最大降温差、基准温度分别为+20℃、-30℃、20℃。建筑场地类别、基本地震加速度、抗震设防烈度分别为Ⅲ类、0.10g、7 度（第一组），存在周期小震的场地特征，中震、大震分设计特征周期分别为0.54s、0.59s。基于竖向地震作用考量，以水平地震影响系数最大值的0.65 倍为竖向地震影响系数最大值，小震、中大震的周期折减系数分别取0.9、1，钢结构在小、中、大震下的阻尼比均为0.02，混凝土在小中震、大震下的阻尼比分别为0.05、0.06[2]。

2.公共连桥结构设计

2.1 结构体系

公共连桥的桥台与主结构间连接选择盆式支座设计，温度变化下大跨度结构的水平变形由滑动支座充分释放，钢筋压型钢板组合土楼板为该公共连桥的楼盖体系。钢梁与栓钉负责混凝土现浇板连接，桁架楼面整体刚度因此提升。在受力分析环节，出于安全考虑，不将楼板作用涵盖在内，避免楼板承担桁架杆件拉压力导致得到减小的桁架杆件计算内力。在公共连桥振动及变形分析环节，楼板有效作用需考虑在内，按弹性板进行楼板计算，楼板面内外刚度需真实考虑。

2.2 地震作用系数

结合上文分析可以发现，案例公共连桥存在钢桁架-钢筋混凝土筒体体系，以及两跨桥身，实腹钢桁架两层高，并存在钢结构的中间桥墩，两侧桥墩的主要抗侧力结构为钢筋混凝土筒体，结合现行规范进行分析可以发现，该公共连桥属于丁类桥梁，应存在B 类的抗震设防分类，抗震分析和抗震验算需要在E1 地震作用下针对性开展。由于案例公共连桥同时属于非规则桥梁，抗震分析中计算方法可以选择多振型反应谱法/线性或非线性时程方法（MM/TH）。结合《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）进行分析可以发现，E1 地震调整系数、设计加速度反应谱最大值应分别选择0.35、0.079，与《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中0.08 的多遇地震水平地震影响系数最大值（7 度）接近，因此采用两种规范能够得到基本相同的多遇地震的地震作用。考虑到案例公共连桥的跨度较大且拥有民用功能，因此抗震性能分析需结合《建筑抗震设计规范》开展，以此保证地震作用下该公共连桥的可靠性[3]。

2.3 抗震性能目标

对属于大跨结构的案例公共连桥来说，抗震需要以大震不倒、中震可修、小震不坏为目标。由于抗震设计基于性能开展，需结合公共连桥特色情况及建造费用、场地条件、抗震设防烈度与类别、震后修复难易程度及损失等因素开展综合考虑，具体可得到表1 所示的抗震性能目标。

表1 抗震性能目标

2.4 抗震性能分析

案例公共连桥的抗震性能分析主要围绕两部分进行，包括多遇地震和罕遇地震。围绕多遇地震作用时开展抗震性能分析，选择YJK 软件和Midas Gen 软件两种有限元计算程序开展针对性复核验算。需选择足够多振型，开展结构抗震计算，保证存在大于90%总质量要求的振型参与有效质量，最不利组合下桥身支座竖向拉力是否产生需同时进行验算。选择振型分解反应谱法开展水平地震作用计算，振型分解反应谱法用于桥身桁架部分竖向地震计算。

围绕罕遇地震作用开展抗震性能分析，选择YJK 软件开展大震下结构等效弹性分析，设计特征周期、地震影响系数最大值、周期折减系数、连梁刚度折减系数分别取0.59、0.5、1、0.5，混凝土、钢的阻尼比分别取0.06、0.02。基于盆式橡胶支座固定的桥身支座，以及10%竖向承载力的水平承载力，基于过大的水平力进行考虑，混凝土与下弦钢板间在支座破坏后存在0.15 的摩擦系数，核心筒会受到0.15 竖向承载力的最大水平力，实际产生的水平力通过模型支座刚度调整进行分析。桥身支座在罕遇地震作用下出现滑移，为满足不与桥身碰撞要求，结合核心筒振动，需开展静力弹塑性分析计算，主要围绕两个混凝土核心筒、结构整体独立进行计算，以此完成弹塑性行为的评价，分析罕遇地震下关键节点最大基底剪力及最大位移，保证结构不会在大震作用下损坏。桥台支座节点在单独计算需结合桁架对桥台的不利影响进行桥身桁架传递重力施加，开展静力推覆分析可以确定，两个推覆方向性能点在结构整体计算时存在1/440 的层间最大位移角最大值，分别计算时两个混凝土桥台的对应值为1/555，由于小于1/50 最大层间位移角的规范规定，可确定案例公共连桥结构的安全储备较大[4]。

2.5 桥台支座设计

设计计算中桥身桁架支座处支座反力可以发现，大震工况下支座处存在-165kN 的最小反力，拉力未产生，因此支座处桥身脱离支座的滑移不会出现。

2.6 温度应力分析

楼板及桁架应力基于Midas Gen 软件开展分析，由此可确定，桁架杆件的压应力在温度作用下存在11.4N/mm2的最大值，拉应力则为14.5N/mm2，存在5%钢材应力左右的应力最大值，钢结构应力受到的影响较小，这是由于设计将滑移支座设置在顺桥跨方向两端，大位移得以释放，因此存在较小温度应力。

3.结论

综上所述，钢桁架连续梁“桥建合一”结构抗震性能会受到多方面因素影响。在此基础上，本文研究涉及的Midas Gen 软件和YJK 软件、抗震性能分析、桥台支座设计、温度应力分析等内容，则直观展示了可行性较高的“桥建合一”结构抗震性能研究路径。研究使用的两种力学模型软件存在基本吻合的计算结果，这说明二者均具备较高实际应用价值，大震作用下案例公共连桥的支座变形及耗能能力通过合理设计得到保证，同时预留的支座位移空间使得设计更具实用性。