某鋼桁架連續梁“橋建合一”結構抗震性能分析

張同進 （中鐵四院集團新型軌道交通設計研究有限公司，江蘇 蘇州 215011）

1 工程概況

本項目位于蘇州太湖，北靠吳中新城，東傍太湖水系。主體為一連接兩個商業地塊的公共聯橋。聯橋主要功能為人行過街天橋，總長度約200m，兩側共設置兩個鋼筋混凝土天橋橋臺，中間設置鋼結構鋼架橋臺。天橋分兩跨，左側跨度約90m（軸線距離），右側約75m（軸線距離）。兩側天橋在鋼結構桁架處采用剛接，兩側混凝土橋臺順橋方向采用滑移支座，垂直橋方向采用固定支座。天橋橋身寬度約13～20m，層數2 層，橋身總高20.8m，上人屋面，上設輕鋼結構頂棚。如圖1 所示。

圖1 鋼聯橋效果圖

天橋主結構采用2 榀兩層通高鋼結構桁架，沿主橋面兩側布置，弦桿及腹桿采用H 型鋼構件，桁架間利用樓面鋼梁連接，并布置交叉鋼梁以形成樓面支撐體系，鋼梁上布置鋼筋桁架板形成組合樓板。天橋主結構與混凝土橋臺間采用盆式支座連接，利用滑動支座充分釋放大跨度結構在溫度變化下的水平變形，同時減小地震作用效應。

2 設計基本參數

2.1 基本參數

兩端橋臺核心筒混凝土強度等級C40；核心筒內梁板、天橋樓板混凝土強度等級C30。樁基及基礎底板采用C35，基礎墊層采用C15。結構設計使用年限：50 年。建筑結構安全等級：二級（γ=1.0）。建筑地基基礎設計等級：甲級。建筑耐火等級為一級。±0.000 相當于85 國家高程4.200m。基本風壓：0.45 kN/m；地面粗糙度類別：B 類，風載體型系數：1.40。基本雪壓：0.40 kN/m。溫度荷載：基準溫度為20℃，最大升溫差+20℃，最大降溫差- 30℃。

2.2 抗震設計參數

抗震設防烈度：7 度（第一組），設計基本地震加速度：0.10g，建筑場地類別：Ⅲ類，場地特征周期小震、中震取Tg＝0.54s、大震Tg＝0.59s。考慮豎向地震作用，豎向地震影響系數最大值取0.65 倍水平地震影響系數最大值αmax。周期折減系數：0.9（小震），1（中、大震）；阻尼比：鋼結構0.02（小、中、大震）；混凝土0.05（小、中震），0.06（大震）。

3 結構設計

3.1 地震作用系數

結構采用鋼桁架- 鋼筋混凝土筒體體系，人行天橋兩端分別為2014- G- 48(1)號地塊和2014- G- 48(2)號地塊，橋身共計兩跨，采用兩層高的實腹鋼桁架，中間橋墩采用鋼結構，兩側橋墩采用鋼筋混凝土筒體作為主要的抗側力結構。根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166- 2011）中第三章判斷，屬于丁類橋梁，抗震設防分類及抗震設計方法為B類，應進行E1 地震作用下的抗震分析和抗震驗算，且本工程符合表6.1.2 中非規則橋梁的定義，在E1 地震作用下可采用MM/TH（多振型反應譜法/線性或非線性時程計算方法）進行抗震分析。

由《城市橋梁抗震設計規范》表3.2.2 可確定E1 地震調整系數Ci=0.35，由式5.2.1- 2 可得設計加速度反應譜 最 大 值 Smax=2.25A=2.25 ×0.35 ×0.1=0.079，與《建筑抗震設計規范》（GB50011- 2010）（2016 年版）中7 度（0.1g）多遇地震水平地震影響系數最大值αmax=0.08 相近，即參照《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166- 2011）確定的地震作用與民用建筑多遇地震的地震作用相當。考慮到該天橋為連接商業綜合體之間的人行天橋，承擔著民用功能，且橋體跨度較大，故按《建筑抗震設計規范》對其進行抗震性能分析，保證天橋在相應地震作用下的可靠性。

3.2 結構體系

天橋主結構與橋臺間采用盆式支座連接，利用滑動支座充分釋放大跨度結構在溫度變化下的水平變形。樓蓋體系采用鋼筋壓型鋼板組合土樓板。混凝土現澆板通過栓釘與鋼梁連接，加強天橋桁架樓面整體剛度。天橋桁架受力分析時，為安全起見，不考慮樓板作用，避免桁架桿件拉壓力被樓板承擔，導致桁架桿件計算內力減小偏不安全。在變形分析及天橋振動分析時，考慮樓板的有效作用，樓板按彈性板計算，真實考慮樓板面內外剛度。

3.3 抗震性能目標

本工程屬于大跨結構，為實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標，采用基于性能的抗震設計方法，結合工程的特殊情況并綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建造費用、震后損失和修復難易程度等因素，設定本工程的抗震性能目標，詳見表1。

3.4 多遇地震作用

首先，結構抗震計算分析采用2 個基于三維力學模型的有限元計算程序復核驗算（如圖2、圖3 所示），表1 給出了兩種軟件計算的主要結果對比；其次，結構抗震計算時選取足夠多的振型，滿足振型參與的有效質量大于總質量90%的要求；驗算橋身支座豎向最不利組合情況下是否會出現拉力；本項目水平地震作用采用振型分解反應譜法進行計算，對橋身桁架部分的豎向地震采用振型分解反應譜法進行計算，設計內力考慮雙向地震作用的包絡。

抗震性能目標 表1

兩種軟件計算結果對比 表2

3.5 罕遇地震作用

圖2 MIDAS GEN 計算模型

圖3 YJK 計算模型

結構在大震下的等效彈性分析采用YJK 軟件，地震影響系數最大值為0.5，設計特征周期Tg=0.59s，周期折減系數取1，阻尼比0.02（鋼），0.06（混凝土），連梁剛度折減系數取0.5。橋身支座處由于盆式橡膠支座固定，水平承載力為豎向承載力Nmax 的10%，考慮水平力過大，支座破壞后下弦鋼板與混凝土之間的摩擦系0.15，核心筒所受的最大水平力為0.15Nmax，通過調整模型支座剛度來模擬實際產生的水平力情況進行分析。

罕遇地震作用下，橋身支座發生滑移，核心筒振動需滿足不與橋身碰撞的要求，對結構整體及兩個混凝土核心筒進行獨立的靜力彈塑性分析計算，以評價結構在罕遇地震下的彈塑性行為，分析關鍵節點在罕遇地震下的最大位移以及最大基底剪力，保證大震作用下結構不損壞，一般維修后可繼續使用。

單獨計算時在橋臺支座節點上施加橋身桁架傳遞的重力值以考慮桁架對橋臺的不利影響，對大震下對結構整體及兩個混凝土核心筒橋墩進行靜力推覆分析，得到橋整體與橋墩跨方向的能力/需求曲線，如圖4（僅給出X向）。

圖4 整體推覆0°(X 向)

由上圖可知，在罕遇地震作用下，結構整體計算時在兩個推覆方向性能點的層間最大位移角最大值為1/440，兩個混凝土橋臺分別計算時在兩個推覆方向性能點的層間最大位移角最大值為1/555，該值小于規范規定的最大層間位移角1/50，并且離限值較遠，說明結構具有較大的安全儲備。

3.6 橋臺支座設計

橋臺支座的布置詳橋臺支座示意圖5，針對橋身桁架支座處的支座反力進行分析，詳橋臺位移及支座反力表3，支座處在大震工況下的最小反力為- 166kN，未出現拉力，故橋身不會在支座處出現脫離支座的滑移（表中的負號表示受壓，正號表示受拉）。

3.7 溫度應力分析

采用midas gen 軟件對樓板及桁架應力進行分析，分析結果詳圖6。

圖5 橋臺支座示意圖

橋臺位移及支座反力表 表3

分析結果表明，在溫度作用下，桁架桿件的壓應力最大值為11.5 N/mm，拉應力最大值為14.6N/mm溫度作用，應力最大值約占鋼材應力的5%，對鋼結構的應力影響較小，分析其原因，由于順橋跨方向兩端設置了滑移支座，釋放了大位移，因此溫度應力較小。

4 結論

圖6 桁架降溫30 度應力圖

本文通過YJK及MIADS GEN 兩個不同力學模型的軟件對比分析，兩個軟件的計算結果基本吻合，說明軟件計算結果正確可靠。對結構進行多遇地震作用下承載力設計、補充小震彈性時程分析、設防地震下的彈性計算及大震不屈服驗算、罕遇地震下的靜力彈塑性分析。結果均滿足《建筑抗震設計規范》（GB50011- 2010）要求。對盆式橡膠支座特殊構件進行分析，天橋支座均不受拉，天橋支座通過合理設計保證中大震作用下的支座變形及耗能能力，并預留足夠的支座位移空間。結構豎向自振頻率≤3Hz。