樁土相互作用對大跨度剛構橋抗震影響分析

尹成,余錢華

(長沙理工大學 土木工程學院,湖南 長沙 410114)

地震荷載下大跨度連續剛構橋的響應比其他普通橋梁更復雜。在地震作用下,橋梁結構的樁土相互作用主要體現在兩方面：一方面,考慮樁土相互作用后地基的柔性改變橋梁結構的動力特性；另一方面,考慮樁土相互作用,橋梁上部結構內力受到影響,同時這種影響效益值通過反饋作用改變地基運動頻譜。建模分析時,如果忽略樁土相互作用,會導致模型與現實工程相差甚遠,分析結果對橋梁設計與施工沒有任何實際指導意義。該文通過工程實例建立嵌固模型與m法模型,對比分析樁土相互作用與直接固結橋墩底兩種模型下橋梁結構的地震響應。

1 工程概況

湖南湘西自治州某大跨度連續剛構橋跨徑組合為110 m＋235 m＋110 m,上部結構采用單箱單室箱形變截面,箱梁根部梁高14.59 m,跨中截面梁高5.59 m。箱梁頂板全寬9 m,雙向橫坡,坡度為2%(見圖1)。橋墩采用雙肢薄壁墩,內部空心,壁厚0.75 m,截面呈矩形,長6.8 m、寬3.2 m。墩身底部為變截面,上窄下寬,長9.8 m、寬3.2 m；承臺高度為4.0 m,截面尺寸為16.6 m×13.8 m。基礎采用4根挖孔灌注樁,直徑為360 cm,樁基嵌入完整中風化巖層21.6 m以上。

圖1 某大跨度連續剛構橋立面圖(單位：m)

2 模型建立

2.1 嵌固模型

根據該橋相關資料,不考慮樁土相互作用,采用MIDAS/Civil 2015建立全橋模型。全橋采用空間梁單元模擬,墩頂與主梁的邊界條件采用剛性連接,墩底直接固結,不考慮行波效應[見圖2(a)]。

圖2 橋梁有限元模型

2.2 m法模型

通過建立承臺和樁基考慮樁土相互作用。整個橋梁由空間梁單元模擬,墩頂與主梁的邊界條件使用剛性連接,在承臺下部建立樁基礎單元,使用節點彈性支撐約束樁基礎,模擬土體的作用。由于該橋樁基礎底部嵌入巖層,樁基底部直接采取固結。節點彈性支撐的剛度涉及等代土彈簧剛度計算,運用JTG D63－2007中的m法進行計算[見式(1)],計算結果見表2。有限元模型見圖2(b)。

式中：ks為等代土彈簧的剛度：a為土層厚度；bp為計算樁寬；m為地基土比例系數,其值見表1,m動＝3m靜；z為各層土中心到地面的距離。

表1 非巖石土壤的比例因子

表2 橋墩樁基礎土彈簧剛度計算結果

3 橋梁地震響應分析

3.1 結構自振特性計算原理

當結構處于自由振動狀態時,其基本振動方程為：

式中：[M]為結構質量矩陣；[K]為結構剛度矩陣。

當結構處于簡諧振動狀態時,可用下式求解：

式中：{X}為結構振動的幅值向量；φ為初相角。

將式(3)、式(4)代入式(2),得：

當式(5)有非零解時,可轉化為：

3.2 自振特性

運用多重Ritz向量法計算該橋兩種模型的前120階振型,其中嵌固模型、m法模型的前10階周期與振型計算結果分別見表3、表4。

3.3 反應譜

地震作用下,兩種模型的墩頂位移見表5,墩底內力見表6。

表3 嵌固模型前10階周期與振型

表4 m法模型前10階周期與振型

表5 地震作用下墩頂位移

由表5、表6可知：嵌固式模型的墩頂縱橫向位移比m法模型小,底部嵌固模型的整體剛度比m法模型大；嵌固式模型的墩底軸力、剪力和彎矩均大于m法模型,這是因為通過m法計算的結構剛度小,且地震效應小,而嵌固模型具有較大的整體剛度和地震效應。

表6 地震作用下墩底內力

4 結論

(1)樁土相互作用對大跨度連續剛構橋的動力特性有一定影響,考慮這種作用時,結構整體剛度變小,同時樁基周圍土體能減緩地震荷載對樁基的作用,橋梁橋墩結構內力變得更小。

(2)相對于底部嵌固分析方法,考慮樁土相互作用與實際工程更吻合,分析結果更為合理。

(3)采用m法分析樁土相互作用時,等代土彈簧剛度需根據現場地質條件模擬準確。如果工程地質條件較復雜,地質分層較多,需依據不同地質土層計算相應土彈簧剛度,并施加在相應位置。