三塔斜拉桥结合梁结构设计和抗震分析

邱兆文 韩洪锦 李 伟 张竹君

（徐州工程学院 徐州 221018）

引言

三塔结合梁的主梁选用钢结构、桥面板选用混凝土结构，主梁与桥面板通过剪力连接件组成一种共同受力的斜拉桥结构。相较现浇混凝土斜拉桥，具有便于工厂化制造、重量小、和易于安装进而能减少施工耗时、降低混凝土收缩徐变的影响等优点，与钢斜拉桥相比，则具有减少钢材、增加主梁刚度、提高主梁截面重心进而更有效的发挥钢梁优势、减小噪音污染和冲击，并有效解决了钢梁桥面与沥青铺装层容易脱落的问题。

但三塔斜拉桥跨径大，桥塔相对较多，主梁有一定柔性，结构体系的刚度低于单塔或双塔斜拉桥，同时主梁在施工过程中应力大、结构的性能复杂。为此，为确保结构运营使用中的安全性和了解结构的静、动力学性能，对该型斜拉桥进行结合梁结构设计和抗震分析是十分必要的。

1 结合梁结构设计

结合梁结构由混凝土结构和钢结构构成，结合了两者的优点。桥面板和钢梁由剪力键连接起来的梁称为结合梁，结合梁典型断面见图1。这种结构开始是称为混合梁的结构，经常选用钢梁，但是为了满足钢梁在腐蚀和防火上的要求，便用混凝土包裹，于是就形成了混合梁。这种结构的中心构件钢梁主要受拉而混凝土受压，慢慢就形成了结合梁构件。

图1 结合梁典型断面

结合梁的混凝土板受压而钢梁受拉，优化了结合梁的受力体系。那些把两构件连在一起共同受力的连接件叫抗剪连接件。若在钢梁上支放钢筋混凝土板，它们之间无任何连接，那么在荷载作用下二者都将发生弯曲，弯曲时就像两个上下紧贴的高度不等的受弯构件，在各自顶面和底面均出现缩短和伸长，上下两构件为单独受力，而没有任何组合作用，称为非组合梁，如图2在非组合梁的交界面简称界面，有时也叫叠合面上出现的相互错动，称为相互搓动[1]。如果忽略摩擦力的影响，那么构件在界面上自由滑动，而没有任何剪力存在。

图2 结合梁的应力、应变及界面移动

结合梁的混凝土板是受压而钢梁是受拉，这就进一步挖掘出了结合梁的受力优势。因结合梁在弯曲过程中使抗剪连接件在界面上受到以翼板和钢梁的剪切作用[2]。可以使界面滑移为零的剪切连接称为刚性剪切连接，而在实际的结合梁中，在界面上自由滑动剪切连接，因此有刚性和弹性剪切连接的结合梁。上下两受弯构件能在界面上自由滑动时，则称为无剪切连接。

2 桥梁抗震能力分析

考虑现有抗震设计方法，再通过反思所形成的基于性能的抗震思想，它综合考虑了各类地震破坏影响因素，在不同抗震设防水平下的要求，设计结构须达到各级别的预定性能目标要求，而这些目标需要考虑场地特征，投资和效益，地震发生后的损失和恢复重建、历史文化价值和潜在的社会影响和施工单位的承受能力，以及许多其他因素。为了充分按照各级抗震性能目标进行结构抗震设计，有必要分析结构在不同地震能力的性能目标，是合理的基于性能的抗震设计的基础。

桥梁抗震能力常用分析方法：

（1）推倒分析法

推倒分析法属于弹塑性结构分析方法，整个分析过程为：在考虑结构自重影响情况下，选择一组可以大致体现结构动力特性的侧向力分布模式，沿结构某个方向进行单调加载，使结构经历弹性阶段、外覆混凝土劈裂和钢筋屈服等阶段，最后达到预先确定好的目标位移或倒塌状态，从而得到结构的整个过程加载变形的关系以及结构的最大承载能力。该方法能够计算出从线弹性、外覆混凝土劈裂、钢筋屈服和直到垮塌状态的结构内力、承载力和各种变形特征，进而了解结构的在各级地震作用下的实际抗震特性[3]。

（2）能力谱法

能力谱法是通过选取结构能力谱以及地震需求谱的交点得出结构在地震荷载影响下的最大承载能力，其中，结构能力谱是先对结构通过推倒分析后再进行转换得出的曲线，而地震需求谱是利用其反应谱转化而得出的曲线，这样就能将结构能力谱和地震需求谱很容易地绘制在同一张图上，如果两条曲线产生交点，则可得出等效SDOF体系谱位移，通过换算后可求出结构的控制节点位移，从而得出结构的实际抗震性能。

3 结论

（1）结合梁通过混凝土承受压力，钢梁承受拉力，通过剪力连接件连接共同承受力的作用、变形协调的复合式梁，充分利用材料特性，承载力高。

（2）结合梁的翼缘板宽度大，使钢梁的侧向刚度增强，增加了稳定性。优化了钢梁受压区的受力形式，提高了抗疲劳能力。

（3）楼盖结构刚度相同时，可以采用结合梁来减小截面的高度。

（4）地震作用过程中，材料具有应变率效应，会影响结构的抗震性能和抗震能力。

[1]魏周博.分阶段施工叠合梁斜拉桥结构分析[D].兰州交通大学，2012.

[2]王鹏.弹性剪切连接钢-混凝土组合梁受力性能的研究[D].昆明理工大学，2010.

[3]李贞新.基于推倒分析法的连续梁桥地震响应简化分析方法研究[D].西南交通大学，2008.