不同布樁形式對橋墩地震響應的影響

母渤海

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司十院，甘肅蘭州 730000）

0 前言

橋梁工程是重要的生命線工程，5·12汶川大地震中，大量橋梁在地震中損壞，嚴重影響了抗震救災。5·12地震后，隨著《公路橋梁抗震設計細則》的推出，橋梁抗震被提到了前所未有的高度，在實際工程設計中抗震計算也成為重點計算的一個環節。目前抗震計算的主要方法有反應譜法、時程分析法及功率譜法。在建模過程中對群樁基礎的模擬又分為集中質量法、在沖刷線以下一定深度固接及用6根彈簧模擬樁基礎的作用（6彈簧模型）三種方法。實際工程設計中對于比較簡單的結構，由于反應譜法及6彈簧模型的組合既能滿足計算精度要求且計算簡便、計算速度快，得到了廣泛的應用。本文以反應譜法和6彈簧模型的組合為基礎，以蘭州市中心灘大橋北引橋為例，通過有限元模擬分析了橋梁樁基不同布樁形式下、不同樁基剛度下對橋墩內力的影響。提出在對橋梁抗震分析中，盲目地增加或減少樁基剛度、樁基數量，以及不合理的樁基布置，都不能充分發揮橋墩的承載力。本文通過橋梁順橋向、橫橋向綜合分析，得出合理的樁基布置思路，可為橋梁抗震設計工作提供有益的參考。

1 模型簡介

中心灘黃河大橋位于甘肅省蘭州市，項目是連接城關中心區與鹽場分區的一條交通性次干道，橋梁全長約400 m，主橋為中承式鋼拱橋，南北引橋為預應力鋼筋混凝土連續梁橋。其中北引橋跨度為40 m+40 m+30m，上部結構采用等截面連續梁，橋梁寬度16 m，梁高2.0 m，下部結構采用雙柱式墩橋，鉆孔灌注樁基礎，橋墩截面為1.5 m×1.5 m矩形墩，墩柱中心距7.5 m。

抗震計算過程中，考慮到不同樁基布置形式下橋墩的地震響應不同，對以下五種樁基布置方案（見圖1）進行分析對比：

（1）對雙柱式橋墩每個墩柱下各設一個承臺，兩個承臺相互分離，每個承臺下設4根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁基礎。

（2）對雙柱式橋墩每個墩柱下各設一個承臺，兩個承臺相互分離，每個承臺下沿橋梁順橋向設2根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁基礎。

（3）對雙柱式橋墩每個墩柱下各設一個承臺，兩個承臺相互分離，每個承臺下沿橋梁橫橋向設2根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁基礎。

（4）對雙柱式橋墩兩個墩柱下共用一個通長的承臺，承臺下沿橋梁橫橋向設置4根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁基礎。

（5）對雙柱式橋墩兩個墩柱下共用一個通長的承臺，承臺下沿橋梁橫橋向設置3根直徑1.8 m的鉆孔灌注樁基礎。

2 地震力的輸入

該項設計采用反應譜法進行抗震計算。阻尼比為0.05的水平設計加速度反應譜S由下式確定：

水平設計加速度反應譜最大值Smax由下式確定：

其中，Ci為抗震重要性系數；Cs為場地系數；Cd為阻尼調整系數；A為水平向設計基本地震動加速度峰值。

圖1 樁基布置圖（單位：cm）

根據工程實際情況得到E1和E2地震作用下水平設計加速度反應譜，見圖2、圖3所示。

圖2 E1地震作用下水平設計加速度反應譜

3 不同布樁方式下橋墩內力分析

根據圖1五種布樁方式可以看出，在邊界條件相同的情況下，五種方案中基礎沿橋縱向抗推剛度K1＞K2＞K5＞K4＞K3，基礎沿橋橫向抗推剛度K4＞K5＞K1＞K3＞K2。從材料用量來看，方案2、3、4、5材料用量相當，方案1材料用量最大。

圖3 E2地震作用下水平設計加速度反應譜曲線圖

根據五種布樁方式，圖4、圖5分別給出了在E1、E2雙重水準下各種工況的橋墩的彎矩和剪力響應分析。

圖4 E1作用下不同布樁方式的橋墩地震響應曲線圖

方案1的基礎布置沿橋墩中心對稱，基礎的抗推剛度橫橋向的明顯大于順橋向的。由圖4、圖5可以看出，對于方案1，順橋向地震力下的內力明顯大于橫橋向地震力下的內力。另外，在恒載和順橋向地震下組合作用下，不管E1還是E2作用下，墩底的彎矩和剪力都有相同的規律①＞②＞⑤＞④＞③；同時，在恒載和橫向地震組合作用下，不管E1還是E2作用下，墩底的彎矩和剪力亦都有相同的規律④＞⑤＞①＞③＞②。分析結果與前述基礎的抗推剛度剛度大小對應。由此可以看出基礎的剛度直接影響橋墩的內力，基礎抗推剛度越大，墩底內力地震響應越大，基礎抗推剛度越小，墩底內力地震響應越小。但分析中發現，墩底內力地震響應的減少是以墩頂位移增加為代價的，而實際中，墩頂位移都有一定的限值。因此，設計中不能盲目地以減少墩底響應為目標而降低基礎剛度。

圖5 E2作用下不同布樁方式的橋墩地震響應曲線圖

另外，由圖4、圖5還可以看出，方案3順橋向和橫橋向地震力的作用下，墩底地震響應最為接近，對矩形截面橋墩，能充分發揮其極限承載力。因此，在材料用量相當，橋墩極限承載力和墩頂位移都滿足要求的前提下，優先選擇方案3做推薦方案。

4 結論

通過不同布樁形式下橋墩地震內力相應的分析看出，一般橋梁在地震作用下，墩底內力和墩頂位移地震響應和基礎抗推剛度有著密切聯系。基礎抗推剛度越大，橋墩在地震力作用下產生的內力也越大；反之，基礎抗推剛度越小，橋墩在地震力作用下產生的內力也越小。但墩底內力地震響應的減少是以墩頂位移增加為代價的。

針對設計中橋墩截面形式大都為矩形、圓形等中心對稱圖形，為了能充分發揮橋墩承載力，通常使橋墩沿順橋向和橫橋向地震內力響應接近。這一點可以通過適當加大基礎橫橋向剛度，減小基礎順橋向剛度反復試算來調整實現。

總之，橋梁抗震分析是個復雜的問題，希望通過本文的分析為工程設計人員提供一定的參考。

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