新型非支撑钢板组合梁关键抗震设计参数优化

2021-03-05周小伍汪志甜

工程与建设 2021年6期

周小伍，汪志甜

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽合肥 230088)

0 引言

非支撑横梁体系钢板组合梁桥是一种由安徽省在国内首创的新型桥梁结构形式。该结构形式与国内传统连续梁相比具有重大的创新性，能够实现高度的工厂化、标准化、装配化，保证了质量，提高了耐久性[1]；同时，能够大大降低混凝土用量[2]。面对非支撑横梁体系钢板组合梁具有工厂化预制、装配化施工、耐久性高等众多优势[3]，因此，有必要开展该种桥梁结构的关键抗震设计方面的研究。

1 非支撑横梁体系钢板组合梁设计

主梁采用双工字钢板组合梁，组合梁桥面全宽34.5 m，梁高为1.7 m。钢主梁采用Q345D工字形直腹板钢梁，混凝土桥面板和钢主梁通过栓钉连接[4]。双主梁之间采用横梁加强横向联系的方式，跨内中横梁为小横梁，支点中横梁为加强小横梁，支点端横梁为大横梁，如图1所示。

图1 钢主横梁与桥面板示意图

所有横梁不直接支撑预制混凝土桥面板，均不与预制混凝土桥面板接触，因此，这种横梁不与混凝土桥面板接触的钢板组合梁被称为非支撑横梁体系钢板组合梁。钢主梁与横梁之间采用焊接连接，横梁标准间距为7.0 m。

2 计算模型及设计参数选取

2.1 计算模型

建立钢板组合梁抗震有限元计算模型时，以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。抗震有限元动力计算模型如图2所示。

图2 钢板组合梁桥抗震有限元模型

为提高模型模拟精度，预制混凝土桥面板采用厚壳单元离散为空间结构；钢梁、横梁及桥墩采用空间框架梁单元模拟；剪力钉采用Link单元模拟，并同时考虑纵向、横向和轴向三个方向的刚度耦合，以此充分研究剪力钉的抗震性能和力学行为。单根剪力钉的轴向刚度取值为钉的轴向抗拉刚度，横向与纵向剪力钉的滑移采用OEHLERS提出的二折线本构曲线，刚度折减系数考虑剪力钉纵向排数因素进行折减以及Okada等主要考虑剪力钉纵向间距对剪切强度的影响[5]。

2.2 设计参数选取

影响非支撑横梁体系钢板组合梁桥抗震能力的设计参数主要有上部结构的质量、桥墩的高度、剪力钉剪切刚度、预制混凝土与钢主梁相对刚度、钢横梁刚度等。由于上部结构的质量一般由跨度决定，墩高由整体布置来确定，这两个参数可调整的范围较小。因此本文将针对剪力钉剪切刚度进行抗震设计参数优化。

2.3 实际地震波选取

为真实反映钢板组合梁桥在地震作用下的响应，特选取与桥梁工程场地类型一致的不同地震波。从地震波库选取2条比较有名的实际地震波重要设计参数,将根据桥址工程场地和地震环境选择的实际地震波进行钢板组合梁非线性动力时程分析[6]，研究剪力钉剪切刚度对非支撑横梁体系钢板组合梁桥的地震响应规律，揭示其主要地震失效模式，从而对该类桥梁的抗震设计参数进行优化。

由于桥梁对称，故均取一半结构对应的计算结果进行分析，即选取1#墩(边墩)、2#墩(次边墩)、3#墩(中墩)进行桥墩内力及支座位移分析，如图3所示。

图3 非支撑横梁体系钢板组合梁桥纵断面图

3 剪力钉刚度设计参数优化分析

对于钢板组合梁桥结构，剪力钉是钢-混凝土组合结构中协调受力和变形的传力构件，其剪切刚度值对组合结构的传力分配和变形有重要影响[7]，理论和试验表明，剪力钉的受力和变形过程是非线性变化，此外，钢主梁与混凝土板之间的剪力连接件由于使用寿命的增加、疲劳效应或其他外界条件致使剪切刚度降低，进而影响组合效应。因此很有必要对剪力钉剪切刚度进行参数分析，分析对比不同剪力钉剪切刚度下非支撑横梁体系钢板组合梁桥的地震响应规律[8]，为钢板组合梁桥设计和抗震分析提供参考。

由非支撑横梁体系钢板组合梁动力特性可知，剪力钉剪切刚度降低对顺桥向的高阶振型影响明显；对横桥向的振型周期和质量参与系数影响很大，高阶振型变化更加显著；竖向质量参与系数的影响较纵桥向和横桥向更加明显，不仅显著改变卓越周期出现的顺序，还会改变其对应的质量参与系数值。所以，剪力钉剪切刚度的折减必将会对结构在地震作用下产生的响应影响显著。假定设计剪力钉剪切刚度值为Ke，根据动力特性分析中钉剪切刚度折减100倍即刚度为0.01Ke时，结构动力特性才发生较明显的变化，因此将对刚度为0.01Ke和0.001Ke两个折减工况进行分析，具体工况见表1。

表1 剪力钉剪切刚度设计参数分析工况

3.1 桥墩墩底截面内力计算结果

通过地震动纵向输入非线性时程分析，不同剪力钉刚度对应的墩底控制截面内力计算结果见表2。

表2 不同剪力钉刚度墩底截面剪力

由表2可知，剪力钉剪切刚度为Ke及0.01Ke时，1#、2#、3#墩底纵桥向剪力计算结果基本相同，差异在10%以内。当剪力钉剪切刚度折减至0.001Ke时，纵桥向墩底剪力响应下降明显，3#墩墩底剪力响应峰值为391.696 kN，较Ke及0.01Ke两个工况分别减小76.79%、76.45%，表明剪力钉刚度折减至0.001Ke时可以有效降低纵桥向墩底剪力。

剪力钉剪切刚度为Ke及0.01Ke时，1#、2#、3#墩底纵桥向弯矩计算结果基本相同，计算结果稍有波动，但波动范围均在10%以内。剪力钉剪切刚度折减至0.001Ke时，纵桥向墩底弯矩响应下降明显，3#墩墩底弯矩响应峰值为3601.764 kN·m，较Ke及0.01Ke两个工况分别减小74.42%、74.25%，表明剪力钉刚度折减至0.001Ke时可以有效降低纵桥向墩底弯矩。

3.2 剪力钉滑移计算结果

通过地震动纵向输入非线性时程分析，不同剪力钉刚度对应的剪力钉最大滑移计算结果如表3所示。

表3 不同剪力钉刚度对应的剪力钉最大滑移计算结果

由表3可知，当剪力钉剪切刚度设计参数调整至0.01Ke及0.001Ke时，剪力钉纵向滑移值增大明显，当钉剪切刚度为0.01Ke时，在地震波作用下已经超过钉的屈服位移1.32 mm，进入弹塑性工作状态，但均未达到钉的极限位移8.42 mm，梁板间相对滑移也随之增加。当钉剪切刚度为0.001Ke时，剪力钉的最大滑移值已经达到69.75 mm，远远超过剪力钉的极限位移8.42 mm，表明剪力钉被剪断而退出工作状态。