基于樁-土作用的懸索橋抗震性能研究

黎久輝

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400041）

1 工程概況

文章以某工程作為依托，主橋為獨塔自錨式空間索面混凝土懸索橋，主橋橋跨布置為7.15m（北邊跨牛腿）+108m（混凝土加勁梁副跨）+168m（混凝土加勁梁主跨）+40m（主跨協(xié)作跨）+7.15m（南邊跨牛腿），主橋全長330.3m，主橋橋型布置如圖1所示，有限元模型如圖2所示。

圖1 橋形布置圖

圖2 有限元模型

2 樁-土作用模擬

由于大多數(shù)樁基結(jié)構(gòu)是由群樁構(gòu)成的，樁數(shù)較多，樁側(cè)土層成分復雜，因此，樁基礎(chǔ)的地震反應(yīng)分析一直是橋梁抗震研究的難點之一。橋梁抗震分析中，考慮土對樁基礎(chǔ)的彈性約束多采用有限元模型，在模型中以彈簧模擬樁土的側(cè)向剛度，忽略土的質(zhì)量和阻尼影響，直接帶樁計算，即整體分析方法；大跨度橋梁由于樁基礎(chǔ)中樁的數(shù)量多，帶樁計算耗時多，尤其是在處理非線性時程計算結(jié)果的時候，工作量大，因此多采用等代彈簧代替群樁作用，也就是在承臺底設(shè)置彈簧，彈簧剛度可采用不同方法計算。

該橋計算采用有限元軟件Midas Civil，通過在樁基礎(chǔ)相應(yīng)位置設(shè)置縱、橫橋向彈簧的方法來考慮樁土相互作用的影響，模型中僅考慮土彈簧剛度，忽略阻尼和質(zhì)量特性的影響，彈簧剛度根據(jù)土層的m值進行計算，計算出各樁基礎(chǔ)的整體6自由度剛度，并考慮水平轉(zhuǎn)動和水平力之間的耦合作用，等效為4個彈簧作用在承臺底部。4個彈簧分別模擬順橋向平動、橫橋向平動及沿這兩個反向的轉(zhuǎn)動。承臺底面的豎向及繞豎向轉(zhuǎn)動的自由度假定為約束，因為從已有的研究可知，這兩個方向剛度很大，近似于固結(jié)。

3 地震動參數(shù)選取

本次研究主要是針對大震情況下橋梁的地震反應(yīng)特點進行，分析采用時程法。時程法分析時需要地震波，為便于比較，本次研究中采用人工地震波進行時程分析。人工地震波以超越概率50年2%的反應(yīng)譜為目標譜，采用三角級數(shù)法合成五條與設(shè)計反應(yīng)譜相符的地震波，如圖3所示。

圖3 設(shè)計反應(yīng)譜

4 模態(tài)比較分析

考慮和不考慮動力特性時本橋前20階頻率的比較如表1所示。從結(jié)果可知，考慮樁土作用會使結(jié)構(gòu)頻率有減小，但前13階頻率減小幅度很小，14階之后的頻率變化很大。這是因為前面很多頻率為主纜的局部振動頻率，這些頻率基本不受樁土相互作用的影響，而14階之后的一些頻率則是結(jié)構(gòu)整體振動的頻率，這些頻率受樁土相互作用的影響比較大。地震響應(yīng)受結(jié)構(gòu)動力特性影響很大，該橋結(jié)構(gòu)自振頻率發(fā)生了較大變化，其地震響應(yīng)有多大變化？下面以順橋向地震響應(yīng)為例，進行分析對比。計算時按不設(shè)阻尼器情況考慮。

5 順橋向地震響應(yīng)比較

利用人工擬合的5條地震波，通過時程分析，考慮樁土效應(yīng)與不考慮樁土效應(yīng)結(jié)果的比較如表2～表4所示。橋塔彎矩、剪力、位移響應(yīng)最大值的比較如圖4～圖7所示。需要說明的是，這里的軸力結(jié)果包括了結(jié)構(gòu)恒載引起的軸力。在橋塔剪力包絡(luò)圖中，橋塔上部剪力的突變是由于橋塔形狀的變化引起的，因為在該位置，橋塔由兩肢合為一肢。

從這些響應(yīng)結(jié)果可以看出：

表1 考慮和不考慮樁土效應(yīng)動力特性的頻率比較 單位：Hz

表2 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置軸力(平均值)變化比較

表3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置順橋向剪力（平均值）變化比較

表4 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置彎矩（平均值）變化比較

圖4 沿塔高軸力變化

圖5 沿塔高剪力變化

圖6 沿塔高彎矩變化

圖7 沿塔高位移變化

（1）考慮樁土效應(yīng)與不考慮樁土效應(yīng)情況下，17#墩的響應(yīng)變化與橋塔及其他橋墩明顯不同，其墩底、墩頂?shù)妮S力、順橋向彎矩、剪力都變化較小。造成這種現(xiàn)象的原因是與本橋構(gòu)造特點有關(guān)，因為17#墩與主梁固結(jié)，主梁對17#墩頂形成了強大的約墩底約束的變化對其動力響應(yīng)影響很小，固17#墩受其墩底約束條件改變的影響很小。

（2）各個構(gòu)件的軸力普遍受影響較小，只有橋塔的軸力受影響稍大。因為這里分析主要考慮的是順橋向地震作用，這里的軸力也主要是由恒載引起的。橋塔上由于主纜的影響，軸力發(fā)生了一定的變化。

（3）19#、20#墩在順橋向水平地震作用下，只承擔少量由于支座摩擦傳遞的水平力，順橋向基本相當于單墩振動，因此當基礎(chǔ)約束條件改變后，橋墩的自振頻率會有很大變化，順橋向的地震響應(yīng)也隨之發(fā)生了較大變化。橋塔地震響應(yīng)也受樁土效應(yīng)影響，但沒有19#、20#墩的影響顯著。

6 結(jié)束語

總體來說，該橋由于自振周期較長，結(jié)構(gòu)相對較柔，墩底約束由剛性約束變化為彈性約束時，結(jié)構(gòu)進一步變?nèi)?。然而柔性的增加有限，結(jié)構(gòu)的動力特性減小也有限，因此，抗震設(shè)計控制構(gòu)件的地震響應(yīng)改變整體也相對較小。