地震荷載下樁土作用對(duì)高墩剛構(gòu)橋的影響

楊光明

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

我國面積廣襄，大大小小的橋梁不計(jì)其數(shù)，其中絕大多數(shù)是中小跨度的橋梁。但隨著我國的綜合實(shí)力不斷增加， 新建的橋梁大多以大中型為主。大跨度橋梁工程正在中國快速發(fā)展，跨度越來越大，橋形越來越靈活。其中，連續(xù)剛構(gòu)橋以其內(nèi)力分布合理、跨越能力強(qiáng)、外形優(yōu)美等特點(diǎn)，在交通工程建設(shè)中逐漸成為一種被廣泛應(yīng)用的橋梁結(jié)構(gòu)形式。對(duì)該類梁橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析，并進(jìn)行抗震性能驗(yàn)算，從而采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施減小地震影響，將對(duì)確保城市生命線系統(tǒng)以及高速公路網(wǎng)的地震安全性、減小橋梁震害和生命財(cái)產(chǎn)損失、促進(jìn)區(qū)域社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用，具有非常顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1，2]。因此，本文以實(shí)際工程為背景，通過采用有限元軟件分析，研究高墩剛構(gòu)橋的抗震性能，以期對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。

1 實(shí)例分析

本文分析基于四川省某跨河大橋，如圖1所示。該橋?yàn)楦叨栈炷吝B續(xù)剛構(gòu)，跨徑為(62+116+62) m，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面現(xiàn)澆箱梁，單箱雙室，整幅布置，外腹板采用直腹板形式，箱梁頂板寬度為20.5 m，采用C50混凝土。箱梁梁高和底板厚度均采用二次拋物線變化。主墩采用矩形等截面空心墩，1號(hào)主墩高67 m，2號(hào)主墩高69.5 m。過渡墩采用變截面矩形空心墩，橫向分離式雙墩，0號(hào)墩高58.5 m，3號(hào)墩高73.5 m，墩頂根據(jù)兩側(cè)引橋梁高的不同，設(shè)置L蓋梁。混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)和《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)的規(guī)定。

圖1 橋梁總體布置圖

2 有限元模型

本文采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行建模分析[3]，如圖2所示。

圖2 SAP2000有限元模型

上部結(jié)構(gòu)采用能反映質(zhì)量分布和剛度特征的簡化脊梁模型(梁單元)，上部結(jié)構(gòu)的重力和地震慣性力通過橋墩傳遞給地基；同樣，地震動(dòng)的輸入又通過橋墩傳遞給上部結(jié)構(gòu)。所以橋墩單元的劃分合理性決定了堆積質(zhì)量的分布，從而影響著剛構(gòu)橋的地震慣性力分布[4，5]。支座采用Plastic Wen單元來模擬滑移摩擦效應(yīng)[6]。為了研究地震荷載作用下樁土相互作用對(duì)該剛構(gòu)橋的影響，模型的邊界條件分別為：基礎(chǔ)采用固結(jié)形式(以下簡稱固結(jié)模型)和6×6土彈簧模型(以下簡稱土彈簧模型)。

3 力學(xué)分析

3.1 動(dòng)力特性分析

為了了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，采用Ritz向量法分析了兩種模型的20階振型，表1僅列出前10階自振周期。

表1 高墩剛構(gòu)橋前10階自振周期

從表1可以看出，土彈簧模型和固結(jié)模型計(jì)算得出的自振周期不同，考慮樁土作用作用后，結(jié)構(gòu)的自振周期有所增大，但自振振型形狀基本相同，沒有明顯差異。可以得出真實(shí)的結(jié)構(gòu)自振周期要比固結(jié)模型計(jì)算得到的自振周期大，樁土作用對(duì)高墩連續(xù)剛構(gòu)的自振周期有較大的影響。

3.2 不同地震波下的時(shí)程分析

本文選取2條實(shí)際地震動(dòng)加速度記錄EI-Centro波、天津波以及1條實(shí)際的人工波進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析。為了分析對(duì)比，通過線性縮放法將3條地震動(dòng)的水平峰值加速度調(diào)整為0.1g，再通過Seismo Match軟件進(jìn)行濾波，基線修正。地震動(dòng)的輸入方向沿著順橋向X向和橫橋向Y向分別輸入。通過計(jì)算求得兩種模型的反應(yīng)結(jié)果。

連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩的最大內(nèi)力響應(yīng)一般在墩底或墩頂，由于篇幅有限，僅列出1#橋墩在地震作用下彎矩。三種地震波輸入下，兩個(gè)模型中1#橋墩的彎矩包絡(luò)圖如圖3、圖4所示，1#橋墩的墩頂位移見表2。

圖3 1#橋墩縱橋向彎矩

圖4 1#橋墩橫橋向彎矩

表2 1#橋墩墩頂位移

分析可以得到以下結(jié)論：

(1)不同地震動(dòng)作用對(duì)同一模型產(chǎn)生的影響不同。順橋向地震作用下，橋墩的彎矩沿墩頂?shù)蕉盏壮氏葴p小后增大的趨勢(shì)，最大彎矩發(fā)生在墩底截面且墩頂也承受較大的彎矩。橫橋向地震作用下，橋墩的彎矩沿墩頂?shù)蕉盏壮室恢痹龃蟮内厔?shì)，最大彎矩發(fā)生在墩底截面，因此在抗震設(shè)計(jì)中需要特別重視該類橋梁墩底和墩頂截面的設(shè)計(jì)。

(2)從1#橋墩的彎矩分布圖以及墩頂?shù)奈灰瓶梢钥闯?，在不同地震波作用下，土彈簧模型中橋墩的?nèi)力響應(yīng)小于固結(jié)模型，這是因?yàn)榭紤]樁土作用后，使得結(jié)構(gòu)變?nèi)幔瑯蚨諆?nèi)力響應(yīng)變小，位移響應(yīng)明顯增大。

4 結(jié)束語

地震是橋梁破壞的主要原因之一，通常會(huì)造成巨大的損失。本文以大跨度高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃謩e建立了考慮和不考慮樁土作用的兩種模型，分析對(duì)比了兩種模型在三種地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。無論地震波是橫橋向輸入還是縱橋向輸入，考慮樁土作用都會(huì)使得橋墩墩頂位移增大，橋墩截面彎矩減小，說明是否考慮樁土作用會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生很大影響，應(yīng)引起故設(shè)計(jì)人員高度重視。