考慮樁—土—結(jié)構(gòu)作用下的大跨徑懸索橋地震響應(yīng)分析研究

楊宇+李慶達(dá)+浦麗+張曉杰

摘要：本文以主跨布置為320m+1196m+320m的某特大跨徑懸索橋?yàn)槔?，采用有限元軟件建模?jì)算，通過(guò)設(shè)置彈簧單元模擬樁土作用，彈簧單元?jiǎng)偠炔捎胢法計(jì)算，地震動(dòng)輸入取七組地震波地震響應(yīng)的平均值，分析考慮樁-土-結(jié)構(gòu)作用下的大跨徑懸索橋地震響應(yīng)。

Abstract： In this paper， a large span suspension bridge with 320m+1196m+320m as the main span is taken as an example. The finite element software is used for modeling and calculation. The spring element is used to simulate the pile and soil action. The spring element stiffness is calculated by the m method. The average value of seismic response of seven sets of seismic waves is used as the ground motion input. The seismic response of the long - span suspension bridge under the action of pile-soil-structure action is analyzed.

關(guān)鍵詞：樁-土-結(jié)構(gòu)作用；懸索橋；地震響應(yīng)

Key words： pile-soil-structure action；suspension bridge；seismic response

中圖分類號(hào)：U442.5+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）20-0117-03

0 引言

云南省正值高速公路建設(shè)發(fā)展的高峰期，地處高原山區(qū)，路線走向不可避免地?？鐛{谷。懸索橋作為目前跨越能力最大的結(jié)構(gòu)形式，多被設(shè)計(jì)單位在路線跨越山谷時(shí)選用。目前，考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的理論分析方法主要有荷載傳遞法、彈性理論法、有限單元法、邊界單元法等，或者將多種成熟方法進(jìn)行耦合計(jì)算。樁土作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在改變結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼及地震動(dòng)輸入等方面，目前大多數(shù)的研究者采用實(shí)體單元建立模型來(lái)考慮樁-土-結(jié)構(gòu)作用，但不便于抗震設(shè)計(jì)計(jì)算。本文通過(guò)設(shè)置彈簧單元模擬樁土作用，其采用m法計(jì)算剛度，分析研究考慮樁-土-結(jié)構(gòu)作用下的大跨徑懸索橋地震響應(yīng)。

1 工程背景

本文以某大跨徑懸索橋?yàn)槔?，主跨布置?20m+1196m+320m，主塔采用門形框架結(jié)構(gòu)，為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，索塔基礎(chǔ)采用32根D2.5m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主梁為流線型扁平鋼箱梁，寬31.5m，高3m，縱向設(shè)置阻尼器于鋼箱梁底部與橫梁處。

2 建模策略

本文采用有限元軟件建模，其主纜、吊索采用索單元進(jìn)行模擬，主塔、橫梁等均采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，通過(guò)設(shè)置彈簧單元模擬樁土作用，其采用m法計(jì)算剛度，同時(shí)考慮引橋?qū)χ鳂騽?dòng)力特性影響。由于橋梁下部結(jié)構(gòu)在E2地震作用下會(huì)發(fā)生開裂或是損傷，本文通過(guò)下部結(jié)構(gòu)的剛度折減20%考慮該類情況。

2.1 抗震設(shè)防目標(biāo)的選取

結(jié)合該工程建設(shè)初期安評(píng)報(bào)告及專項(xiàng)研究結(jié)果給出的橋址區(qū)場(chǎng)地地震基本烈度Ⅷ度、地震動(dòng)參數(shù)較大，以及考慮大跨徑橋梁的重要性等因素，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為E1作用下，基準(zhǔn)年限100年超越概率10%，峰值加速度0.376g；E2作用下，基準(zhǔn)年限100年超越概率4%，峰值加速度0.477g。

2.2 地震動(dòng)參數(shù)

大橋場(chǎng)地土為II類場(chǎng)地土，根據(jù)該橋安評(píng)報(bào)告給出的東岸錨碇、東岸主塔、西岸主塔和西岸錨碇四處地震動(dòng)參數(shù)，E1地震取東岸錨碇反應(yīng)譜，E2地震取東岸主塔反應(yīng)譜，通過(guò)取七組地震波地震響應(yīng)的平均值，得到E1、E2作用下分析研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的反應(yīng)譜如圖2、圖3所示。

2.3 樁-土-結(jié)構(gòu)耦合作用

當(dāng)橋梁自重及其所受荷載通過(guò)樁基對(duì)土體產(chǎn)生作用時(shí)，土體經(jīng)壓縮向下產(chǎn)生變形，同時(shí)橋梁樁基礎(chǔ)受到來(lái)自土體側(cè)面的摩阻力。地基的剛度和阻尼也會(huì)影響橋梁樁基和結(jié)構(gòu)的受力特性，因此在橋梁的抗震分析計(jì)算中，為了更加符合實(shí)際情況，不得不全面考慮土體和結(jié)構(gòu)的相互作用。

樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用計(jì)算的理論方法目前主要有：荷載傳遞法、彈性理論法、有限單元法、邊界單元法等，或者將多種成熟方法進(jìn)行耦合計(jì)算。常見(jiàn)的樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用計(jì)算多采用有限元模型，在樁基處設(shè)置彈簧單元模擬土體側(cè)向剛度，同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常忽略土體的質(zhì)量和阻尼系數(shù)。

本文計(jì)算采用有限元軟件通過(guò)在樁基礎(chǔ)位置土體分層設(shè)置彈簧單元考慮樁土相互作用的影響，彈簧單元分縱橫向設(shè)置，忽略土體質(zhì)量及阻尼。橋梁樁基礎(chǔ)處的土體彈簧剛度，根據(jù)土體分層利用m法進(jìn)行計(jì)算。

m法假定樁土作用時(shí)線性的，不考慮樁土之間的摩阻力。土體對(duì)樁身的抗力表示為：

σ=cyx

式中，cy為深度為y的樁基側(cè)面土體的地基系數(shù)，及cy=my，m為地基系數(shù)的比例系數(shù)。

3 地震響應(yīng)分析研究

3.1 E1縱向地震作用的動(dòng)力響應(yīng)

圖4～圖7分別給出了在E1縱向地震作用時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)考慮樁土作用及不考慮樁土下的主塔軸力、剪力、彎矩及位移的包絡(luò)圖?？梢钥闯?，是否考慮樁土作用，對(duì)其剪力、彎矩及位移的計(jì)算結(jié)果均有影響。

3.2 E2縱向地震作用的動(dòng)力響應(yīng)

圖8～圖10分別給出了在E2縱向地震作用時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)考慮樁土作用及不考慮樁土下的主塔軸力、剪力、彎矩的包絡(luò)圖?？梢钥闯觯欠窨紤]樁土作用，對(duì)其軸力、剪力的計(jì)算結(jié)果影響較大，特別是在主塔橫梁以下位置的剪力值。

4 結(jié)果分析

①在縱向地震作用下，東岸主塔軸力變化很小，剪力最大增大了11%，彎矩最大增大了16%；西岸主塔軸力變化很小，剪力最大增大了15%，彎矩最大增大16%。

②在橫向地震作用下，東岸主塔軸力最大增大了5%，剪力最大增大了11%，彎矩最大增大18%；西岸主塔軸力最大增大了4%，剪力最大增大了11%，彎矩最大增大10%。

③相比之下，大跨度懸索橋在計(jì)算地震響應(yīng)時(shí)，不可忽略樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用。

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