考慮樁—土—結構作用下的大跨徑懸索橋地震響應分析研究

楊宇+李慶達+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為例，采用有限元軟件建模計算，通過設置彈簧單元模擬樁土作用，彈簧單元剛度采用m法計算，地震動輸入取七組地震波地震響應的平均值，分析考慮樁-土-結構作用下的大跨徑懸索橋地震響應。

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.

關鍵詞：樁-土-結構作用；懸索橋；地震響應

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

中圖分類號：U442.5+5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0117-03

0 引言

云南省正值高速公路建設發展的高峰期，地處高原山區，路線走向不可避免地常跨峽谷。懸索橋作為目前跨越能力最大的結構形式，多被設計單位在路線跨越山谷時選用。目前，考慮樁-土-結構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行耦合計算。樁土作用對結構地震響應的影響主要體現在改變結構的自振頻率、阻尼及地震動輸入等方面，目前大多數的研究者采用實體單元建立模型來考慮樁-土-結構作用，但不便于抗震設計計算。本文通過設置彈簧單元模擬樁土作用，其采用m法計算剛度，分析研究考慮樁-土-結構作用下的大跨徑懸索橋地震響應。

1 工程背景

本文以某大跨徑懸索橋為例，主跨布置為320m+1196m+320m，主塔采用門形框架結構，為普通鋼筋混凝土結構，橫梁為預應力結構，索塔基礎采用32根D2.5m的鉆孔灌注樁基礎。主梁為流線型扁平鋼箱梁，寬31.5m，高3m，縱向設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、吊索采用索單元進行模擬，主塔、橫梁等均采用空間梁單元進行模擬，通過設置彈簧單元模擬樁土作用，其采用m法計算剛度，同時考慮引橋對主橋動力特性影響。由于橋梁下部結構在E2地震作用下會發生開裂或是損傷，本文通過下部結構的剛度折減20%考慮該類情況。

2.1 抗震設防目標的選取

結合該工程建設初期安評報告及專項研究結果給出的橋址區場地地震基本烈度Ⅷ度、地震動參數較大，以及考慮大跨徑橋梁的重要性等因素，設防標準為E1作用下，基準年限100年超越概率10%，峰值加速度0.376g；E2作用下，基準年限100年超越概率4%，峰值加速度0.477g。

2.2 地震動參數

大橋場地土為II類場地土，根據該橋安評報告給出的東岸錨碇、東岸主塔、西岸主塔和西岸錨碇四處地震動參數，E1地震取東岸錨碇反應譜，E2地震取東岸主塔反應譜，通過取七組地震波地震響應的平均值，得到E1、E2作用下分析研究結構動力特性的反應譜如圖2、圖3所示。

2.3 樁-土-結構耦合作用

當橋梁自重及其所受荷載通過樁基對土體產生作用時，土體經壓縮向下產生變形，同時橋梁樁基礎受到來自土體側面的摩阻力。地基的剛度和阻尼也會影響橋梁樁基和結構的受力特性，因此在橋梁的抗震分析計算中，為了更加符合實際情況，不得不全面考慮土體和結構的相互作用。

樁-土-結構相互作用計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行耦合計算。常見的樁-土-結構相互作用計算多采用有限元模型，在樁基處設置彈簧單元模擬土體側向剛度，同時為簡化計算，通常忽略土體的質量和阻尼系數。

本文計算采用有限元軟件通過在樁基礎位置土體分層設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置，忽略土體質量及阻尼。橋梁樁基礎處的土體彈簧剛度，根據土體分層利用m法進行計算。

m法假定樁土作用時線性的，不考慮樁土之間的摩阻力。土體對樁身的抗力表示為：

σ=cyx

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

3 地震響應分析研究

3.1 E1縱向地震作用的動力響應

圖4～圖7分別給出了在E1縱向地震作用時，橋梁結構考慮樁土作用及不考慮樁土下的主塔軸力、剪力、彎矩及位移的包絡圖。可以看出，是否考慮樁土作用，對其剪力、彎矩及位移的計算結果均有影響。

3.2 E2縱向地震作用的動力響應

圖8～圖10分別給出了在E2縱向地震作用時，橋梁結構考慮樁土作用及不考慮樁土下的主塔軸力、剪力、彎矩的包絡圖。可以看出，是否考慮樁土作用，對其軸力、剪力的計算結果影響較大，特別是在主塔橫梁以下位置的剪力值。

4 結果分析

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，大跨度懸索橋在計算地震響應時，不可忽略樁-土-結構的相互作用。

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