樁－土－結構相互作用對大跨度CFST拱橋的地震反應的影響

唐 駿，邵永健

(蘇州科技學院)

樁－土－結構相互作用對大跨度CFST拱橋的地震反應的影響

唐 駿，邵永健

(蘇州科技學院)

以某大跨度鋼管混凝土拱橋為研究對象，樁基礎與地基采用J.Penzien質量－彈簧體系模擬。大跨度鋼管混凝土(CFST)拱橋的三維有限元模型使用ANSYS軟件建立，并進行了橋梁的地震反應空間非線性時程分析，主要分析了考慮樁－土－結構相互作用后，在地震動不同輸入方式下該橋的地震反應。結果表明，不同的地震動輸入方式下，樁－土－結構相互作用對大跨度CFST拱橋地震反應的影響是不同的。

樁－土－結構相互作用;地震反應;鋼管混凝土拱橋

0 引言

大跨度鋼管混凝土拱橋因其結構及經濟上的優越性，越來越受到橋梁設計者的青睞。已有研究表明:考慮樁－土－結構相互作用后，體系的動力特性與剛性基礎上結構的不同主要表現為:自振周期延長、阻尼變大、內力及位移變化。因此，要全面的了解結構的動力響應，就應該考慮樁－土－結構相互作用的影響。文獻通過考慮樁－土－結構相互作用影響，分析了高層建筑風振響應，結果表明樁－土－結構相互作用通過對結構加速度的影響進而影響到舒適度;文獻分析了樁－土－結構相互作用對大跨度鋼管混凝土拱橋地震反應的影響，結果顯示橋梁的周期變長，同時內力及位移也發生相應的變化。以某中承式大跨度鋼管混凝土拱橋為研究對象，分別建立拱腳固結模式(模式a)和考慮樁－土－結構相互作用模式(模式b)，分析了在不同地震動輸入方式下兩模型的地震反應，主要分析了考慮樁－土－結構相互作用對橋梁的地震反應的影響，為同類結構的抗震的設計提供參考依據。

1 J.Penzien模型及參數的確定

J.Penzien質量－彈簧模型是目前廣泛采用的模型之一，計算簡圖如圖1所示。在使用集中質量法時做了相關的假定:(1)假定各層土壤是均勻的且各向同性的線彈性體，各層土壤的性質可以不同;(2)在2個上，側向土的性質彼此無關，在軸向，側向和扭轉方向不耦合，且屬于小位移問題;(3)等代土彈簧的剛度由(地基土的比例系數)計算，本文的m值參照相關實驗數據取為120×104kN/m4，其定義如下所示

式中:σzx為土體對樁的，z為土層深度，xz為樁在z處的，由此可以求得土彈簧的剛度ks

其中，a為土層厚度，bp為該土層垂直于計算模型所在平面方向上的寬度，ks可采用表征土介質彈簧性質的m參數來計算等代土彈簧的剛度。土彈簧剛度的具體計算見文獻。

圖1 樁基空間計算模式簡圖

2 工程概況及空間有限元模型的建立

2.1 工程概況

某大跨度中承式鋼管混凝土桁架橋，主孔凈跨徑是460 m，拱軸采用變高度(拱腳H=14.0 m，拱頂H=7.0 m)、等寬度(B=4.14 m)截面，凈矢跨比為1/3.8，拱軸系數為m=1.55的懸鏈線設計方案。主拱圈由兩肋組成，每肋由四根鋼管構成組合矩形截面柱，每肋間距12 m處設置橫隔。橋面與拱肋相交處寬27.84 m，其余各處橋寬19 m，其中車行道15 m，設雙向四車道，兩側人行道各2 m。該橋2個主墩基礎的鋼筋混凝土樁各有24根，混凝土等級為C25，樁長25 m，樁直徑1.2 m，樁的底部嵌入整個基巖3 m。

2.2 空間有限元計算模型的建立

基于ANSYS建立了該橋計算模型，如圖3所示:鋼管混凝土拱肋、橫撐、拱上立柱等采用Beam188單元模擬，吊桿采用Link10單元模擬。邊界條件的處理:在模式a中，橋面邊墩處限制縱橋向的移動，主拱墩處固結;在模式b中，用Beam44單元模擬實際的樁基礎，土介質的動力性質用combin14單元來模擬，單元示意圖見圖2所示。該單元本身無質量，在主墩拱座處，用質量單元模擬其承臺質量，其它條件同模式a。

圖2 COMBIN14單元示意圖

圖3 大跨鋼管混凝土拱橋的有限元計算模型

3 地震反應非線性動力時程分析

3.1 地震動輸入

該橋橋址位于6度區，按7度設防，場地類別為Ⅱ類。比較一些常見的天然強震加速度記錄，選取EL－Centrol波對該橋進行分析。把水平向的EL－Centro波的加速度峰值進行調整，作為地展波水平輸入，豎向輸人記錄取為水平輸入的1/2，調整后EL－Centro波如圖4、圖5所示。

圖4 調整后水平向地震波輸入

圖5 調整后豎向地震波輸入

3.2 地震響應計算方法及結果

基于ANSYS的非線性動力時程分析，采用Newmark－β法計算了分別計算了兩種模式橋梁的地震反應，運動方程如公式(3)所示。分析過程中阻尼比ξ=0.05，時間步長Δt= 0.02 s，共計算2 000時步，計算總時間為40 s。

式中:M、C、K分別為結構總的質量矩陣、總阻尼矩陣、總剛度矩陣;分別是結構的加速度向量、速度向量和位移向量;F是施加在人工邊界上的等效力。

在不同地震動輸入方式下，主拱肋下弦桿關鍵截面Mises應力值如表1所示。限于篇幅，圖7和圖8僅給出橫向輸入+縱向輸入的拱頂的水平位移反應時程分析圖。

表1 模式a、模式b主拱肋下弦桿關鍵截面Mises應力值 MPa

圖6 拱頂水平位移(橫向+縱向，模式a)

圖7 拱頂水平位移(橫向+縱向，模式b)

4 結論

通過考慮樁－土－結構相互作用的影響，分析了大跨度CFST拱橋地震反應，得到以下的結論。

(1)當考慮樁－土－結構相互作用后，模式b關鍵截面的的應力值要小于模式a的應力值。通過圖6和圖7對比可以得到，模式b拱頂的水平位移要大于模式a的拱頂水平位移。

(2)不同地震動輸入方式對拱肋關鍵截面的影響也是不同的。從表2可以得到，按方式二輸入時主拱頂截面受影響最大，而按方式一和方式三輸入時變化最大的截面卻在拱腳處，表明了考慮樁－土－結構相互作用后，大跨度CFST拱橋地震反應是錯綜復雜的。

(3)從表2可以得到，考慮土樁結構相互作用時該橋各關鍵截面的地震應力雖然有所下降，最大也只有9.03%(方式二時拱頂處)。因此，在樁基上建立大跨度CFST拱橋時，當基礎剛度得到保證后，采用拱腳固結模式進行抗震分析是可行的。

(4)在地震作用下，從表2還可以得到，拱肋關鍵截面的最大應力值都在拱腳處，表明鋼管混凝土拱橋最危險的結構部位是拱腳，設計中應在該部位采取加強措施。

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U442

C

1008－3383(2015)10－0086－02

2015－01－13

唐駿(1978－)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事混凝土結構與組合結構理論及其應用研究。