為分析支撐橫梁體系鋼板組合梁橋在剪力連接件失效后對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，文章分別建立剪力連接件失效前、后的非線性抗震有限元模型并進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。結(jié)果表明：剪力連接件的失效會(huì)降低橋墩及樁基礎(chǔ)的地震響應(yīng)，但會(huì)增加混凝土橋面板與鋼主梁、鋼橫梁之間相對(duì)滑移。

　　1引言

　　工廠化加工和易于施工使得鋼板組合梁橋在公路建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。剪力連接件作為連接混凝土橋面板和鋼主梁的關(guān)鍵構(gòu)件，雖具有較大的剛度但在強(qiáng)震作用下仍會(huì)發(fā)生損傷[2]。理論以及試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻�，剪力連接件的剛度降低可以使結(jié)構(gòu)基頻降低[3,4]，顯著影響地震響應(yīng)[5,6]。試驗(yàn)亦說明降低剪力連接件的剛度可增加組合梁的延性[7]。上述研究?jī)H限于分析連接件的剛度折減對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及響應(yīng)的影響，針對(duì)連接件失效的這一極端工況研究還未見報(bào)道。因此，本文以新型支撐橫梁體系鋼混組合梁結(jié)構(gòu)為工程背景，基于有限元分析剪力連接件失效后的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律。

　　2橋梁模型

　　以濟(jì)南至祁門高速公路合肥至淮南段采用的支撐橫梁體系鋼板組合梁橋?yàn)橐劳泄こ�，取一種具有代表性的一聯(lián)4×35m支撐橫梁體系鋼板組合梁橋作為算例橋梁，采用通用有限元軟件SAP2000分別建立剪力連接件設(shè)計(jì)剛度和完全失效后的2種全橋非線性抗震有限元模型，進(jìn)行橋梁地震響應(yīng)分析，研究鋼板組合梁橋地震響應(yīng)規(guī)律對(duì)于剪力連接件剛度的敏感度。在建立支撐橫梁體系鋼板組合梁橋的非線性抗震有限元模型時(shí)，其鋼板組合梁的預(yù)制混凝土橋面板采用彈性板單元模擬，工字形鋼縱梁和鋼橫梁采用框架單元模擬，混凝土橋面板與鋼主梁、鋼橫梁的剪力釘連接采用連接單元模擬，并通過賦予連接單元?jiǎng)偠葋砜紤]剪力連接件的剛度及其非線性。針對(duì)本算例橋梁，剪力連接件單根直徑22mm、長(zhǎng)190mm，材料為ML15焊釘，參考文獻(xiàn)計(jì)算其單根剛度為36000kN/m[9-10]。假設(shè)剪力連接件失效，則混凝土橋面板與鋼梁之間僅存在摩擦作用，摩擦作用引起的剛度約為設(shè)計(jì)剛度的千分之一。剪力連接件和摩擦作用均采用LINK單元模擬。支座采用Plastic-Wen單元，橋墩采用空間框架單元模擬，承臺(tái)采用質(zhì)量點(diǎn)模擬，樁基礎(chǔ)采用6彈簧模擬，彈簧剛度按傳統(tǒng)“m”法計(jì)算得到[8]，承臺(tái)與樁基礎(chǔ)之間采用主從約束進(jìn)行模擬，算例橋梁的非線性抗震有限元模型具體見圖1。

　　3地震動(dòng)輸入

　　根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG-TB02-01-2008)的相關(guān)規(guī)定對(duì)算例橋梁進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析。根據(jù)E2水準(zhǔn)地震作用下相應(yīng)的水平向加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，采用生成人工生成時(shí)程的方法，生成對(duì)應(yīng)E2水準(zhǔn)地震的7條人工波，并將人工波的加速度反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，具體見圖2。分析圖2可知，7條人工的加速度反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜匹配良好，能夠代表工程場(chǎng)地與E2水準(zhǔn)地震作用相匹配的地震動(dòng)水平。而且，地震激勵(lì)方向采用沿縱橋向和橫橋向2種方式，不考慮豎向地震動(dòng)作用。

　　4地震響應(yīng)分析

　　對(duì)上述考慮剪力連接件設(shè)計(jì)剛度和完全失效后的2種全橋非線性抗震有限元模型分別進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，并取7條人工波的時(shí)程分析結(jié)果的平均值作為結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，分析剪力連接件剛度及其非線性對(duì)于支撐橫梁體系鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響程度。

　　4.1橋墩

　　在地震作用下，橋墩是梁橋結(jié)構(gòu)中的重要耗能構(gòu)件，故需要分析剪力連接件的剛度及其非線性對(duì)于橋墩地震響應(yīng)的影響程度。但限于篇幅，利用算例橋梁的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，本文僅列出1#~3#橋墩控制截面的地震響應(yīng)，具體見表1。對(duì)比分析表1可知，剪力連接件的剛度及其非線性對(duì)橋墩墩底截面的剪力與彎矩影響顯著。例如，由于剪力連接件的失效，使得混凝土橋面板與鋼主梁、鋼橫梁之間產(chǎn)生了相對(duì)滑移，導(dǎo)致墩底截面在縱橋向的剪力和彎矩最大分別降低了21.61%和23.15%，在橫橋向的剪力和彎矩最大分別降低29.38%和29.09%，表明由于剪力連接件進(jìn)入非線性后導(dǎo)致的梁板相對(duì)滑移能夠起到減震耗能作用，對(duì)鋼板組合梁橋的橋墩抗震有利。

　　4.2承臺(tái)底反力

　　分析表2可知，剪力連接件失效后，承臺(tái)底在縱橋向和橫橋向的剪力、彎矩均大幅降低。例如，承臺(tái)底縱橋向的剪力和彎矩最大降低13.27%和20.59%，橫橋向的剪力和彎矩最大降低25.67%和29.47%。因此，剪力連接件進(jìn)入非線性后導(dǎo)致的梁板相對(duì)滑移對(duì)于承臺(tái)底內(nèi)力的影響也較為顯著，從而影響到樁基礎(chǔ)的受力。從影響程度上看，剪力連接件的剛度降低會(huì)減小樁基礎(chǔ)的受力，實(shí)際上也對(duì)橋梁抗震有利。

　　4.3剪力連接件滑移

　　同時(shí)選取全橋受力最大的剪力連接件滑移作為分析對(duì)象，相應(yīng)的縱橋向和橫橋向剪力連接件最大滑移計(jì)算結(jié)果見表3可知。對(duì)比分析表3可知，沿縱橋向激勵(lì)時(shí)，位于鋼主梁兩中跨跨中位置處的剪力連接件受力最大;沿結(jié)構(gòu)橫橋向激勵(lì)時(shí)，位于3#橋墩位置的中橫梁上跨中位置處的剪力連接件受力最大。值得注意的是，當(dāng)剪力連接件失效時(shí)，滑移值迅速增大，縱橋向最大達(dá)27.9mm，橫橋向最大達(dá)到31.8mm。因此，在地震作用下，剪力連接件的失效，會(huì)使得梁板之間的相對(duì)滑移驟增，從而影響到混凝土橋面板和鋼梁之間的組合作用，大大降低了鋼板組合梁的整體性。

　　5結(jié)論

　　本文以支撐橫梁體系鋼板組合梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，建立了能夠考慮剪力連接件剛度的非線性抗震有限元模型，對(duì)比分析了剪力連接件的剛度及其非線性對(duì)于鋼板組合結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：①剪力連接件進(jìn)入非線性引起的剛度降低會(huì)減小橋墩、樁基礎(chǔ)等地震易損構(gòu)件的剪力和彎矩響應(yīng)，且對(duì)橫橋向地震響應(yīng)的影響大于縱橋向;②剪力連接件的剛度降低也會(huì)增加混凝土橋面板與鋼主梁、鋼橫梁之間的相對(duì)滑移，但這種滑移及其摩擦作用在一定程度上起到了減震耗能的作用，對(duì)鋼板組合梁橋抗震有利。

　　《剪力釘剛度對(duì)鋼板組合梁橋地震的影響》來源：《安徽建筑》，作者：劉慧慧 周小伍

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