考慮樁-土作用整體式承臺連續剛構橋地震反應分析

姜有鑫，郭炎峰

(甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

公路連續剛構橋采用分幅設計時，承臺結構一般可選用整體式或分離式2種形式。其中整體式承臺因其整體剛度大、穩定性強等特點，對提高橋梁橫向抗風、抗船舶沖擊能力有明顯優勢，同時其對地基承載能力的需求指標也將更高，但目前業內關于樁-土相互作用對整體式承臺連續剛構橋地震反應影響的研究和討論較少[1-3]。

1 工程概況

彎溝特大橋主跨連續剛構橋跨徑為(64+115+64)m，主梁至基礎采用分幅對稱設計，左、右幅主梁頂面凈距1 m。主梁頂寬11.75 m，支點處梁高6 m，跨中處梁高2.5 m，其間高度以1.8次拋物線變化。橋墩為雙薄壁空心墩，截面尺寸為600 cm×200 cm，雙肢間距5 m，其中1#墩高63.1 m，2#墩高54.8 m，主梁與橋墩均采用C50級混凝土。承臺采用整體式結構，即左、右幅橋共用一個承臺，承臺尺寸為1 037.5 cm×800 cm×365 cm，采用C30級混凝土，承臺下設8根樁基礎，樁徑2.0 m，1、2#墩下樁長分別為47 m和40 m，采用C25級混凝土。

橋址位于西北高烈度區，橋梁抗震設防類別為B類，設防烈度Ⅷ，場地特征周期0.45 s，基本地震動加速度峰值為0.2 g。

2 地震反應分析

2.1 數值模型

采用midas Civil有限元分析軟件分別建立了兩種動力分析模型，全橋均采用彈性梁單元，墩梁固結處采用剛性連接，邊支座處采用直接約束位移的簡化處理，忽略了邊墩質量影響。如圖1～圖2所示，模型1忽略了樁-土相互作用，承臺底面邊界條件采用直接固結處理，全橋共計602個單元；模型2為考慮樁-土相互作用的模型，樁身周圍側向土壓力及剛度大小由“m法”[4，5]計算得到，后以等代線性土彈簧模擬，全橋共計1202個單元。2種模型基礎以上結構質量完全一致，結構阻尼比取0.05。

圖1 有限元分析模型

圖2 地震時程曲線圖

3 地震動輸入

采用動態時程分析方法[6]，根據場地特征，如圖2所示，選用2條典型地震波(Elcent、Taft)和1條人工擬合波，從橋梁縱向、橫向分別進行激勵。

4 反應結果分析

4.1 自振特性

分析得到各模型主要自振特性，如表1，可以看出：(1)2種模型振型有相似性，模型2在考慮了樁-土作用后，承臺底部邊界條件發生變化，致使模型2自振周期大于模型1，自振頻率小于模型2；(2)由于采用整體式承臺將橋梁下部連為整體，而橋梁上部相對獨立，因此使得橋梁產生如圖3所示的振型(左、右幅橋非一致性振動)，這種振型僅出現于采用整體式承臺設計的雙幅橋梁。

表1 2種模型自振特性對比

圖3 地震時程曲線圖

4.2 E1水準地震反應

E1地震PGA(地震加速度峰值)=A×Ci=0.1 g，經時程分析計算，反應結果見表2～表3所示。

表2 E1地震作用下最大橋墩彎矩反應對比

表3 E1地震作用下最大墩頂位移反應對比

根據結果可知：地震波無論從縱向或橫向進行激勵，模型1彎矩反應結果均大于模型2，最大差異為模型2的1.22倍；反之模型1位移反應結果均小于模型2，最大差異為模型2的0.81倍。這是由于模型1忽略了樁-土相互作用而采用直接固結承臺底部的模擬方式，致使整體結構體系剛度增加，彎矩反應結果增大，位移反應結果減小。

4.3 E2水準地震反應

E2地震PGA(地震加速度峰值)=A×Ci=0.34 g，經時程分析計算，反應結果如表4～表5所示。從E2地震作用反應結果可以看出，在線性階段下，橋梁的內力及位移反應均增大了一個量級，且2種模型產生的差異特點延續了E1地震階段的反應結果，其中模型1彎矩最大為模型2的1.46倍，位移最小為模型2的0.81倍，符合考慮樁-土相互作用后的結構反應特點。

表4 E2地震作用下最大橋墩彎矩反應對比

表5 E2地震作用下最大墩頂位移反應對比

5 結 論

以國網高速G75蘭州段彎溝特大橋主跨(64+115+64)m整體式承臺雙幅連續剛構橋為背景，為分析考慮或忽略樁-土相互作用對連續剛構橋的反應結果影響，分別建立了兩種數值模型，通過動態時程分析方法，對橋梁線彈性階段的地震反應結果進行分析研究，得到以下結論。

(1)考慮樁-土相互作用將改變連續剛構橋的邊界條件，減小結構整體剛度，增大結構自振周期。在線彈性地震反應階段，忽略樁-土作用的模型1彎矩最大為模型2的1.46倍，位移最小為模型2的0.81倍。

(2)采用整體式承臺設計，由于雙幅橋梁上部相對獨立，而下部結構由承臺連為整體，橋梁將會產生左、右幅橋非一致振動的獨有振型。

(3)以地震作用為主要控制指標的整體式承臺連續剛構橋，建議應考慮橋梁樁基與地基土的相互作用影響，以接近真實反應結果。