新型非支撐鋼板組合梁關(guān)鍵抗震設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

周小伍， 汪志甜

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋是一種由安徽省在國內(nèi)首創(chuàng)的新型橋梁結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式與國內(nèi)傳統(tǒng)連續(xù)梁相比具有重大的創(chuàng)新性，能夠?qū)崿F(xiàn)高度的工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化，保證了質(zhì)量，提高了耐久性[1]；同時(shí)，能夠大大降低混凝土用量[2]。面對(duì)非支撐橫梁體系鋼板組合梁具有工廠化預(yù)制、裝配化施工、耐久性高等眾多優(yōu)勢[3]，因此，有必要開展該種橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵抗震設(shè)計(jì)方面的研究。

1 非支撐橫梁體系鋼板組合梁設(shè)計(jì)

主梁采用雙工字鋼板組合梁，組合梁橋面全寬34.5 m，梁高為1.7 m。鋼主梁采用Q345D工字形直腹板鋼梁，混凝土橋面板和鋼主梁通過栓釘連接[4]。雙主梁之間采用橫梁加強(qiáng)橫向聯(lián)系的方式，跨內(nèi)中橫梁為小橫梁，支點(diǎn)中橫梁為加強(qiáng)小橫梁，支點(diǎn)端橫梁為大橫梁，如圖1所示。

圖1 鋼主橫梁與橋面板示意圖

所有橫梁不直接支撐預(yù)制混凝土橋面板，均不與預(yù)制混凝土橋面板接觸，因此，這種橫梁不與混凝土橋面板接觸的鋼板組合梁被稱為非支撐橫梁體系鋼板組合梁。鋼主梁與橫梁之間采用焊接連接，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為7.0 m。

2 計(jì)算模型及設(shè)計(jì)參數(shù)選取

2.1 計(jì)算模型

建立鋼板組合梁抗震有限元計(jì)算模型時(shí)，以順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。抗震有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型如圖2所示。

圖2 鋼板組合梁橋抗震有限元模型

為提高模型模擬精度，預(yù)制混凝土橋面板采用厚殼單元離散為空間結(jié)構(gòu)；鋼梁、橫梁及橋墩采用空間框架梁單元模擬；剪力釘采用Link單元模擬，并同時(shí)考慮縱向、橫向和軸向三個(gè)方向的剛度耦合，以此充分研究剪力釘?shù)目拐鹦阅芎土W(xué)行為。單根剪力釘?shù)妮S向剛度取值為釘?shù)妮S向抗拉剛度，橫向與縱向剪力釘?shù)幕撇捎肙EHLERS提出的二折線本構(gòu)曲線，剛度折減系數(shù)考慮剪力釘縱向排數(shù)因素進(jìn)行折減以及Okada等主要考慮剪力釘縱向間距對(duì)剪切強(qiáng)度的影響[5]。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)選取

影響非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋抗震能力的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、橋墩的高度、剪力釘剪切剛度、預(yù)制混凝土與鋼主梁相對(duì)剛度、鋼橫梁剛度等。由于上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量一般由跨度決定，墩高由整體布置來確定，這兩個(gè)參數(shù)可調(diào)整的范圍較小。因此本文將針對(duì)剪力釘剪切剛度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。

2.3 實(shí)際地震波選取

為真實(shí)反映鋼板組合梁橋在地震作用下的響應(yīng)，特選取與橋梁工程場地類型一致的不同地震波。從地震波庫選取2條比較有名的實(shí)際地震波重要設(shè)計(jì)參數(shù),將根據(jù)橋址工程場地和地震環(huán)境選擇的實(shí)際地震波進(jìn)行鋼板組合梁非線性動(dòng)力時(shí)程分析[6]，研究剪力釘剪切剛度對(duì)非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的地震響應(yīng)規(guī)律，揭示其主要地震失效模式，從而對(duì)該類橋梁的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

由于橋梁對(duì)稱，故均取一半結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，即選取1#墩(邊墩)、2#墩(次邊墩)、3#墩(中墩)進(jìn)行橋墩內(nèi)力及支座位移分析，如圖3所示。

圖3 非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋縱斷面圖

3 剪力釘剛度設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

對(duì)于鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)，剪力釘是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)受力和變形的傳力構(gòu)件，其剪切剛度值對(duì)組合結(jié)構(gòu)的傳力分配和變形有重要影響[7]，理論和試驗(yàn)表明，剪力釘?shù)氖芰妥冃芜^程是非線性變化，此外，鋼主梁與混凝土板之間的剪力連接件由于使用壽命的增加、疲勞效應(yīng)或其他外界條件致使剪切剛度降低，進(jìn)而影響組合效應(yīng)。因此很有必要對(duì)剪力釘剪切剛度進(jìn)行參數(shù)分析，分析對(duì)比不同剪力釘剪切剛度下非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的地震響應(yīng)規(guī)律[8]，為鋼板組合梁橋設(shè)計(jì)和抗震分析提供參考。

由非支撐橫梁體系鋼板組合梁動(dòng)力特性可知，剪力釘剪切剛度降低對(duì)順橋向的高階振型影響明顯；對(duì)橫橋向的振型周期和質(zhì)量參與系數(shù)影響很大，高階振型變化更加顯著；豎向質(zhì)量參與系數(shù)的影響較縱橋向和橫橋向更加明顯，不僅顯著改變卓越周期出現(xiàn)的順序，還會(huì)改變其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參與系數(shù)值。所以，剪力釘剪切剛度的折減必將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的響應(yīng)影響顯著。假定設(shè)計(jì)剪力釘剪切剛度值為Ke，根據(jù)動(dòng)力特性分析中釘剪切剛度折減100倍即剛度為0.01Ke時(shí)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性才發(fā)生較明顯的變化，因此將對(duì)剛度為0.01Ke和0.001Ke兩個(gè)折減工況進(jìn)行分析，具體工況見表1。

表1 剪力釘剪切剛度設(shè)計(jì)參數(shù)分析工況

3.1 橋墩墩底截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

通過地震動(dòng)縱向輸入非線性時(shí)程分析，不同剪力釘剛度對(duì)應(yīng)的墩底控制截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同剪力釘剛度墩底截面剪力

由表2可知，剪力釘剪切剛度為Ke及0.01Ke時(shí)，1#、2#、3#墩底縱橋向剪力計(jì)算結(jié)果基本相同，差異在10%以內(nèi)。當(dāng)剪力釘剪切剛度折減至0.001Ke時(shí)，縱橋向墩底剪力響應(yīng)下降明顯，3#墩墩底剪力響應(yīng)峰值為391.696 kN，較Ke及0.01Ke兩個(gè)工況分別減小76.79%、76.45%，表明剪力釘剛度折減至0.001Ke時(shí)可以有效降低縱橋向墩底剪力。

剪力釘剪切剛度為Ke及0.01Ke時(shí)，1#、2#、3#墩底縱橋向彎矩計(jì)算結(jié)果基本相同，計(jì)算結(jié)果稍有波動(dòng)，但波動(dòng)范圍均在10%以內(nèi)。剪力釘剪切剛度折減至0.001Ke時(shí)，縱橋向墩底彎矩響應(yīng)下降明顯，3#墩墩底彎矩響應(yīng)峰值為3601.764 kN·m，較Ke及0.01Ke兩個(gè)工況分別減小74.42%、74.25%，表明剪力釘剛度折減至0.001Ke時(shí)可以有效降低縱橋向墩底彎矩。

3.2 剪力釘滑移計(jì)算結(jié)果

通過地震動(dòng)縱向輸入非線性時(shí)程分析，不同剪力釘剛度對(duì)應(yīng)的剪力釘最大滑移計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同剪力釘剛度對(duì)應(yīng)的剪力釘最大滑移計(jì)算結(jié)果

由表3可知，當(dāng)剪力釘剪切剛度設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整至0.01Ke及0.001Ke時(shí)，剪力釘縱向滑移值增大明顯，當(dāng)釘剪切剛度為0.01Ke時(shí)，在地震波作用下已經(jīng)超過釘?shù)那灰?.32 mm，進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，但均未達(dá)到釘?shù)臉O限位移8.42 mm，梁板間相對(duì)滑移也隨之增加。當(dāng)釘剪切剛度為0.001Ke時(shí)，剪力釘?shù)淖畲蠡浦狄呀?jīng)達(dá)到69.75 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過剪力釘?shù)臉O限位移8.42 mm，表明剪力釘被剪斷而退出工作狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1) 剪力釘剪切剛度為Ke及0.01Ke時(shí)，1#、2#、3#墩底縱橋向剪力計(jì)算結(jié)果基本相同，差異在10%以內(nèi)。當(dāng)剪力釘剪切剛度折減至0.001Ke時(shí)，縱橋向墩底剪力響應(yīng)下降明顯。

(2) 剪力釘剪切剛度設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整至0.01Ke及0.001Ke時(shí)，剪力釘縱向滑移值增大明顯。

(3) 剪力釘剛度的改變對(duì)非支撐橫梁體系鋼板組合梁橋地震響應(yīng)影響較大。剪力釘剛度折減至0.001Ke時(shí)，梁板間聯(lián)系相對(duì)降低，剪力釘滑移增大。