基于新抗震細(xì)則連續(xù)剛構(gòu)橋深水作用抗震分析

朱 鵬

0 概述

橋梁是交通運(yùn)輸?shù)臉屑~工程,地震中橋梁不僅本身受到破壞,同時(shí)由于它的破壞,給抗震救災(zāi)工作的開(kāi)展造成了很大的困難。因此,橋梁在地震中的安危對(duì)抗震救災(zāi)工作極為重要。交通運(yùn)輸部最新頒布了JTG/T B02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[1],針對(duì)單跨跨徑 150m以下的規(guī)則橋梁的設(shè)計(jì),做出了規(guī)定。單跨跨徑在 150m以上的特大跨徑橋梁只是給出了設(shè)計(jì)原則,詳細(xì)的設(shè)計(jì)仍需進(jìn)行專門(mén)的研究。

1 地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響分析

地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用影響主要有兩種：前者是以慣性力的形式將地震荷載加在結(jié)構(gòu)物上,從而引起結(jié)構(gòu)物的振動(dòng),另一種是場(chǎng)地相對(duì)位移產(chǎn)生的強(qiáng)烈變形,所產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力或過(guò)大的相對(duì)變形影響結(jié)構(gòu)的安全。考慮到本橋所處的地質(zhì)條件,我們?cè)谶M(jìn)行地震分析的時(shí)候需要考慮樁土相互作用和深水作用兩種情況。

2 抗震分析過(guò)程介紹

以交通運(yùn)輸部最新頒布的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》為指導(dǎo),運(yùn)用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行模擬,進(jìn)行地震反應(yīng)分析,主要研究?jī)?nèi)容包括[2]：

1)依據(jù)樁土作用理論建立橋梁整體有限元模型;

2)考慮樁—土相互作用,建立樁基土彈簧單元;

3)分析深水條件下橋墩的受力,計(jì)算地震引起的深水慣性力和附加質(zhì)量;

4)對(duì)建立的三個(gè)模型進(jìn)行反應(yīng)譜分析,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行深入分析,對(duì)大跨徑橋梁抗震設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)建議。

3 分析模型建立

結(jié)合廣州繞城高速公路南段上某連續(xù)剛構(gòu)橋建立分析模型,該橋設(shè)計(jì)水位 30m。大橋基本參數(shù)如下：

1)主橋跨徑組合：(85+165+85)m;

2)主梁截面形式：?jiǎn)蜗鋯问蚁湫谓孛?主梁底部沿二次曲線變化,梁高2.8m～6.8m;

3)橋墩類型：雙薄壁空心墩,左右兩幅采用整體式承臺(tái),墩高72m;

4)線形情況：位于直線段,雙向六車道;

5)設(shè)計(jì)行車速度：120 km/h;

6)設(shè)計(jì)荷載：公路—Ⅰ級(jí);

7)地震基本烈度：7度。

3.1 樁土相互作用模型簡(jiǎn)化

在對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)模擬時(shí),應(yīng)當(dāng)盡可能真實(shí)的模擬地震場(chǎng)地條件?？紤]樁土相互作用時(shí)應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)各種土層性質(zhì),計(jì)算土彈簧剛度和土層質(zhì)量,否則會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。本文使用質(zhì)彈阻模型(集中質(zhì)量法)對(duì)樁土相互作用進(jìn)行模擬,同時(shí)還作了如下處理：

1)假定土層是有均勻各向同性的線彈性的水平層阻尼,與頻率無(wú)關(guān),各層土壤的性質(zhì)可以是不同的,側(cè)向土的性質(zhì)在兩個(gè)正交方向彼此無(wú)關(guān),土抗力在軸向、側(cè)向和扭轉(zhuǎn)方向不耦合,且屬于小位移問(wèn)題。

2)樁底嵌入巖層一定深度,故把樁底設(shè)為固定端。地震發(fā)生時(shí),樁和土僅發(fā)生橫向位移,豎向位移忽略不計(jì),樁—土接觸面不發(fā)生相對(duì)分離。

3)等代土彈簧的剛度由土介質(zhì)的 m值計(jì)算。“m法”是我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)部門(mén)常用的一種樁基靜力設(shè)計(jì)方法,所使用的土層的 m值以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為根據(jù)[3]。

其中,m為等價(jià)土質(zhì)量;ρi,Hi分別為上層土的密度和厚度; ρi-1,Hi-1分別為下層土的密度和厚度;a為土層的厚度;bp為該土層的寬度,常取樁的計(jì)算寬度[10]。

3.2 深水作用模型簡(jiǎn)化

震中深水對(duì)橋墩的作用一般說(shuō)來(lái)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面為橋墩外圍的庫(kù)水對(duì)于震動(dòng)中的橋墩所產(chǎn)生的作用;另一方面為墩體內(nèi)的水體在橋墩的震動(dòng)當(dāng)中,作為橋墩質(zhì)量的一部分隨橋墩一起震動(dòng),這些水的質(zhì)量將轉(zhuǎn)化為橋墩的等效質(zhì)量密度。由于墩體內(nèi)的水增加了墩體的有效重量,從而增大了墩體在地震當(dāng)中的地震荷載,給橋墩設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。

本文在模型中對(duì)深水作用的模擬采用日本《鐵路結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,用下式計(jì)算動(dòng)水壓力：

1)當(dāng)B/H≤2且B/L≤3時(shí)：

2)當(dāng)B/H≥4且B/L＞2時(shí)：

其中,α為結(jié)構(gòu)物不同運(yùn)動(dòng)類型的修正系數(shù),這里取 α=1;A為結(jié)構(gòu)物水平截面毛面積;L為平行于地震震動(dòng)方向的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度; B為垂直于地震震動(dòng)方向的結(jié)構(gòu)寬度;H為高度;kh為水平地震系數(shù),取值應(yīng)與輸入地震波相應(yīng);γw為粘摩擦阻力系數(shù);y為自水面算起的深度[4]。

根據(jù)附加質(zhì)量的概念,在水中橋墩最大動(dòng)水壓力可以設(shè)想為具有一定體積的水和結(jié)構(gòu)物一起運(yùn)動(dòng)。這部分水的慣性力應(yīng)等于實(shí)際的動(dòng)水壓力,故單位長(zhǎng)度水的附加質(zhì)量為m =Py/khg,進(jìn)而可由積分法算出一個(gè)單元上的附加水質(zhì)量[5]。

3.3 模型的建立

基于以上考慮,為了便于比較分析,本文建立三個(gè)模型,各模型計(jì)算分析時(shí)主要考慮的因素如下：

模型一：墩底固結(jié),不考慮樁土作用和深水作用;

模型二：考慮樁土相互作用的模型;

模型三：同時(shí)考慮樁土相互作用和深水與墩的相互作用。

由于缺乏本橋場(chǎng)地的地震加速度記錄,本文參照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜方法。水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值由下式確定：

其中,Ci為抗震重要性系數(shù);Cs為場(chǎng)地系數(shù);Cd為阻尼調(diào)整系數(shù);A為水平向設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值。

式中各系數(shù)可由《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定進(jìn)行選取,確定的加速度反應(yīng)譜如圖 1所示。

3.4 模型計(jì)算

本文采用反應(yīng)譜分析法,同時(shí)考慮三個(gè)正交方向的地震作用,分別單獨(dú)計(jì)算 X向,Y向,Z向地震產(chǎn)生的最大效應(yīng)EX,EY, EZ。本橋三個(gè)模型都考慮水平地震和豎向地震,分量組合為：橫向(1.0)+縱向(1.0)+豎向(0.65)。

在計(jì)算過(guò)程中,為保證計(jì)算精度,選取了前 150階振型進(jìn)行疊加,三個(gè)模型的地震動(dòng)、三個(gè)方向的振型質(zhì)量參與因子之和均在90%以上,本文采用完全平方和法(CQC)進(jìn)行反應(yīng)譜組合[6]。

4 結(jié)論與分析

通過(guò)建立模型的模擬分析,對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋深水作用下樁土效應(yīng)和深水效應(yīng)進(jìn)行分析和總結(jié),本文得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)同時(shí)考慮深水作用和樁土作用,橋梁的整體軸力和彎矩都增大了。由數(shù)據(jù)分析可以看到在樁土和深水共同作用的時(shí)候,在橋梁內(nèi)力方面樁土作用的效應(yīng)比較明顯,位移方面深水產(chǎn)生的效應(yīng)更加明顯。2)地震作用總是從地面開(kāi)始的,對(duì)于大跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋,主墩首當(dāng)其沖。

分析數(shù)據(jù)顯示,主墩的墩頂和墩底在模擬的兩種工況下,無(wú)論是軸力、彎矩還是位移都有顯著地變化。因而在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮主墩的受力;主梁位移主要體現(xiàn)在順橋向和橫橋向,豎向位移并不明顯。

以上結(jié)論分析對(duì)同類橋梁的抗震設(shè)計(jì)將提供有益的參考。

[1] JTG/T B02-01-2008,公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2] 朱 鵬.深水作用下連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2009.

[3] 李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社, 2003.

[4] 范立礎(chǔ),胡世德,葉愛(ài)君.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,2001.

[5] [美]R.克拉夫,J.彭津.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].第 2版.北京：高等教育出版社,2006.

[6] 宋一凡.公路橋梁動(dòng)力學(xué)[M].北京：人民交通出版社,2000.

[7] 白德貴,王志華,陳國(guó)興.深水橋梁樁基礎(chǔ)考慮流固耦合效應(yīng)的地震反應(yīng)分析方法綜述[J].防震減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2007 (4)：9.

[8] 高學(xué)奎,朱 晞.地震動(dòng)水壓力對(duì)深水橋墩的影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006(2)：1-3.

[9] JTJ 004-89,公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10] JTJ 024-85,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].