三塔斜拉橋結合梁結構設計和抗震分析

邱兆文 韓洪錦 李 偉 張竹君

（徐州工程學院 徐州 221018）

引言

三塔結合梁的主梁選用鋼結構、橋面板選用混凝土結構，主梁與橋面板通過剪力連接件組成一種共同受力的斜拉橋結構。相較現澆混凝土斜拉橋，具有便于工廠化制造、重量小、和易于安裝進而能減少施工耗時、降低混凝土收縮徐變的影響等優點，與鋼斜拉橋相比，則具有減少鋼材、增加主梁剛度、提高主梁截面重心進而更有效的發揮鋼梁優勢、減小噪音污染和沖擊，并有效解決了鋼梁橋面與瀝青鋪裝層容易脫落的問題。

但三塔斜拉橋跨徑大，橋塔相對較多，主梁有一定柔性，結構體系的剛度低于單塔或雙塔斜拉橋，同時主梁在施工過程中應力大、結構的性能復雜。為此，為確保結構運營使用中的安全性和了解結構的靜、動力學性能，對該型斜拉橋進行結合梁結構設計和抗震分析是十分必要的。

1 結合梁結構設計

結合梁結構由混凝土結構和鋼結構構成，結合了兩者的優點。橋面板和鋼梁由剪力鍵連接起來的梁稱為結合梁，結合梁典型斷面見圖1。這種結構開始是稱為混合梁的結構，經常選用鋼梁，但是為了滿足鋼梁在腐蝕和防火上的要求，便用混凝土包裹，于是就形成了混合梁。這種結構的中心構件鋼梁主要受拉而混凝土受壓，慢慢就形成了結合梁構件。

圖1 結合梁典型斷面

結合梁的混凝土板受壓而鋼梁受拉，優化了結合梁的受力體系。那些把兩構件連在一起共同受力的連接件叫抗剪連接件。若在鋼梁上支放鋼筋混凝土板，它們之間無任何連接，那么在荷載作用下二者都將發生彎曲，彎曲時就像兩個上下緊貼的高度不等的受彎構件，在各自頂面和底面均出現縮短和伸長，上下兩構件為單獨受力，而沒有任何組合作用，稱為非組合梁，如圖2在非組合梁的交界面簡稱界面，有時也叫疊合面上出現的相互錯動，稱為相互搓動[1]。如果忽略摩擦力的影響，那么構件在界面上自由滑動，而沒有任何剪力存在。

圖2 結合梁的應力、應變及界面移動

結合梁的混凝土板是受壓而鋼梁是受拉，這就進一步挖掘出了結合梁的受力優勢。因結合梁在彎曲過程中使抗剪連接件在界面上受到以翼板和鋼梁的剪切作用[2]。可以使界面滑移為零的剪切連接稱為剛性剪切連接，而在實際的結合梁中，在界面上自由滑動剪切連接，因此有剛性和彈性剪切連接的結合梁。上下兩受彎構件能在界面上自由滑動時，則稱為無剪切連接。

2 橋梁抗震能力分析

考慮現有抗震設計方法，再通過反思所形成的基于性能的抗震思想，它綜合考慮了各類地震破壞影響因素，在不同抗震設防水平下的要求，設計結構須達到各級別的預定性能目標要求，而這些目標需要考慮場地特征，投資和效益，地震發生后的損失和恢復重建、歷史文化價值和潛在的社會影響和施工單位的承受能力，以及許多其他因素。為了充分按照各級抗震性能目標進行結構抗震設計，有必要分析結構在不同地震能力的性能目標，是合理的基于性能的抗震設計的基礎。

橋梁抗震能力常用分析方法：

（1）推倒分析法

推倒分析法屬于彈塑性結構分析方法，整個分析過程為：在考慮結構自重影響情況下，選擇一組可以大致體現結構動力特性的側向力分布模式，沿結構某個方向進行單調加載，使結構經歷彈性階段、外覆混凝土劈裂和鋼筋屈服等階段，最后達到預先確定好的目標位移或倒塌狀態，從而得到結構的整個過程加載變形的關系以及結構的最大承載能力。該方法能夠計算出從線彈性、外覆混凝土劈裂、鋼筋屈服和直到垮塌狀態的結構內力、承載力和各種變形特征，進而了解結構的在各級地震作用下的實際抗震特性[3]。

（2）能力譜法

能力譜法是通過選取結構能力譜以及地震需求譜的交點得出結構在地震荷載影響下的最大承載能力，其中，結構能力譜是先對結構通過推倒分析后再進行轉換得出的曲線，而地震需求譜是利用其反應譜轉化而得出的曲線，這樣就能將結構能力譜和地震需求譜很容易地繪制在同一張圖上，如果兩條曲線產生交點，則可得出等效SDOF體系譜位移，通過換算后可求出結構的控制節點位移，從而得出結構的實際抗震性能。

3 結論

（1）結合梁通過混凝土承受壓力，鋼梁承受拉力，通過剪力連接件連接共同承受力的作用、變形協調的復合式梁，充分利用材料特性，承載力高。

（2）結合梁的翼緣板寬度大，使鋼梁的側向剛度增強，增加了穩定性。優化了鋼梁受壓區的受力形式，提高了抗疲勞能力。

（3）樓蓋結構剛度相同時，可以采用結合梁來減小截面的高度。

（4）地震作用過程中，材料具有應變率效應，會影響結構的抗震性能和抗震能力。

[1]魏周博.分階段施工疊合梁斜拉橋結構分析[D].蘭州交通大學，2012.

[2]王鵬.彈性剪切連接鋼-混凝土組合梁受力性能的研究[D].昆明理工大學，2010.

[3]李貞新.基于推倒分析法的連續梁橋地震響應簡化分析方法研究[D].西南交通大學，2008.