剪力钉刚度对钢板组合梁桥地震的影响

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　　摘要：为分析支撑横梁体系钢板组合梁桥在剪力连接件失效后对结构地震响应的影响，文章分别建立剪力连接件失效前、后的非线性抗震有限元模型并进行动力时程分析。结果表明：剪力连接件的失效会降低桥墩及桩基础的地震响应，但会增加混凝土桥面板与钢主梁、钢横梁之间相对滑移。

　　关键词：支撑横梁体系;钢板组合梁桥;剪力连接件;地震响应

　　1引言

　　工厂化加工和易于施工使得钢板组合梁桥在公路建设中得到了越来越广泛的应用[1]。剪力连接件作为连接混凝土桥面板和钢主梁的关键构件，虽具有较大的刚度但在强震作用下仍会发生损伤[2]。理论以及试验模型表明，剪力连接件的刚度降低可以使结构基频降低[3,4]，显著影响地震响应[5,6]。试验亦说明降低剪力连接件的刚度可增加组合梁的延性[7]。上述研究仅限于分析连接件的刚度折减对结构动力特性以及响应的影响，针对连接件失效的这一极端工况研究还未见报道。因此，本文以新型支撑横梁体系钢混组合梁结构为工程背景，基于有限元分析剪力连接件失效后的结构地震响应规律。

　　2桥梁模型

　　以济南至祁门高速公路合肥至淮南段采用的支撑横梁体系钢板组合梁桥为依托工程，取一种具有代表性的一联4×35m支撑横梁体系钢板组合梁桥作为算例桥梁，采用通用有限元软件SAP2000分别建立剪力连接件设计刚度和完全失效后的2种全桥非线性抗震有限元模型，进行桥梁地震响应分析，研究钢板组合梁桥地震响应规律对于剪力连接件刚度的敏感度。在建立支撑横梁体系钢板组合梁桥的非线性抗震有限元模型时，其钢板组合梁的预制混凝土桥面板采用弹性板单元模拟，工字形钢纵梁和钢横梁采用框架单元模拟，混凝土桥面板与钢主梁、钢横梁的剪力钉连接采用连接单元模拟，并通过赋予连接单元刚度来考虑剪力连接件的刚度及其非线性。针对本算例桥梁，剪力连接件单根直径22mm、长190mm，材料为ML15焊钉，参考文献计算其单根刚度为36000kN/m[9-10]。假设剪力连接件失效，则混凝土桥面板与钢梁之间仅存在摩擦作用，摩擦作用引起的刚度约为设计刚度的千分之一。剪力连接件和摩擦作用均采用LINK单元模拟。支座采用Plastic-Wen单元，桥墩采用空间框架单元模拟，承台采用质量点模拟，桩基础采用6弹簧模拟，弹簧刚度按传统“m”法计算得到[8]，承台与桩基础之间采用主从约束进行模拟，算例桥梁的非线性抗震有限元模型具体见图1。

　　3地震动输入

　　根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG-TB02-01-2008)的相关规定对算例桥梁进行非线性动力时程分析。根据E2水准地震作用下相应的水平向加速度设计反应谱，采用生成人工生成时程的方法，生成对应E2水准地震的7条人工波，并将人工波的加速度反应谱与设计加速度反应谱进行对比验证，具体见图2。分析图2可知，7条人工的加速度反应谱与设计加速度反应谱匹配良好，能够代表工程场地与E2水准地震作用相匹配的地震动水平。而且，地震激励方向采用沿纵桥向和横桥向2种方式，不考虑竖向地震动作用。

　　4地震响应分析

　　对上述考虑剪力连接件设计刚度和完全失效后的2种全桥非线性抗震有限元模型分别进行动力时程分析，并取7条人工波的时程分析结果的平均值作为结构地震响应，分析剪力连接件刚度及其非线性对于支撑横梁体系钢板组合梁桥结构地震响应的影响程度。

　　4.1桥墩

　　在地震作用下，桥墩是梁桥结构中的重要耗能构件，故需要分析剪力连接件的刚度及其非线性对于桥墩地震响应的影响程度。但限于篇幅，利用算例桥梁的结构对称性，本文仅列出1#~3#桥墩控制截面的地震响应，具体见表1。对比分析表1可知，剪力连接件的刚度及其非线性对桥墩墩底截面的剪力与弯矩影响显著。例如，由于剪力连接件的失效，使得混凝土桥面板与钢主梁、钢横梁之间产生了相对滑移，导致墩底截面在纵桥向的剪力和弯矩最大分别降低了21.61%和23.15%，在横桥向的剪力和弯矩最大分别降低29.38%和29.09%，表明由于剪力连接件进入非线性后导致的梁板相对滑移能够起到减震耗能作用，对钢板组合梁桥的桥墩抗震有利。

　　4.2承台底反力

　　分析表2可知，剪力连接件失效后，承台底在纵桥向和横桥向的剪力、弯矩均大幅降低。例如，承台底纵桥向的剪力和弯矩最大降低13.27%和20.59%，横桥向的剪力和弯矩最大降低25.67%和29.47%。因此，剪力连接件进入非线性后导致的梁板相对滑移对于承台底内力的影响也较为显著，从而影响到桩基础的受力。从影响程度上看，剪力连接件的刚度降低会减小桩基础的受力，实际上也对桥梁抗震有利。

　　4.3剪力连接件滑移

　　同时选取全桥受力最大的剪力连接件滑移作为分析对象，相应的纵桥向和横桥向剪力连接件最大滑移计算结果见表3可知。对比分析表3可知，沿纵桥向激励时，位于钢主梁两中跨跨中位置处的剪力连接件受力最大;沿结构横桥向激励时，位于3#桥墩位置的中横梁上跨中位置处的剪力连接件受力最大。值得注意的是，当剪力连接件失效时，滑移值迅速增大，纵桥向最大达27.9mm，横桥向最大达到31.8mm。因此，在地震作用下，剪力连接件的失效，会使得梁板之间的相对滑移骤增，从而影响到混凝土桥面板和钢梁之间的组合作用，大大降低了钢板组合梁的整体性。

　　5结论

　　本文以支撑横梁体系钢板组合梁桥为研究对象，建立了能够考虑剪力连接件刚度的非线性抗震有限元模型，对比分析了剪力连接件的刚度及其非线性对于钢板组合结构地震响应的影响规律，得到如下结论：①剪力连接件进入非线性引起的刚度降低会减小桥墩、桩基础等地震易损构件的剪力和弯矩响应，且对横桥向地震响应的影响大于纵桥向;②剪力连接件的刚度降低也会增加混凝土桥面板与钢主梁、钢横梁之间的相对滑移，但这种滑移及其摩擦作用在一定程度上起到了减震耗能的作用，对钢板组合梁桥抗震有利。

　　作者：刘慧慧 周小伍 单位：安徽省交通控股集团有限公司 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司

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