橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震性能研究

付蕓生

（中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038）

1 引言

在地震力作用下，橋梁結(jié)構(gòu)安全性不足，交通網(wǎng)絡(luò)癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失的現(xiàn)象比比皆是。因此，研究橋梁抗震性能非常重要。目前，我國(guó)通過(guò)對(duì)大跨徑橋梁進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，模擬橋梁結(jié)構(gòu)在地震力作用下內(nèi)力的變化規(guī)律，最終得到橋梁抗震分為延性抗震和減隔震[1]。橋梁通過(guò)減隔震可以耗散能量，降低地震的反應(yīng)。目前，我國(guó)對(duì)于橋梁抗震理論的研究仍存在不足，本文在前人基礎(chǔ)上進(jìn)行深入的理論分析。

2 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力特性分析

2.1 工程概況

本文所依托工程為澳門(mén)某橋，大橋主線全長(zhǎng)約3.085 km，其中跨海段長(zhǎng)約2.86 km，主橋兩孔通航主跨均為280 m。大橋主線設(shè)計(jì)為雙向8車道，中間兩車道為電單車專用道，通過(guò)設(shè)置風(fēng)障實(shí)現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)期間汽車沿主線保持安全行駛。該橋梁位于黃土溝壑區(qū)，該地區(qū)地形特點(diǎn)為起伏較大，溝谷為U字形。地層土質(zhì)由上而下為：黃土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化砂巖。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑形式為75 m+3×140 m+75 m。邊跨與中跨的比值為0.5357。箱梁底為8.65 m，翼板懸臂為4 m，箱梁頂為16.65 m。

該橋橋墩依據(jù)路線前進(jìn)方向編號(hào)分別為5#、6#、7#、8#墩。其中，5#、8#橋墩形式為雙肢墩，0#塊的懸臂長(zhǎng)為1.5 m；6#、7#橋墩為單肢墩，0#塊懸臂長(zhǎng)分別為2.25 m和12 m。

4個(gè)橋墩的墩高依次為90 m、115 m、105 m和73 m。橋梁基礎(chǔ)為2 m鉆孔樁，個(gè)數(shù)為16根。承臺(tái)為5 m。橋梁主梁采用C55混凝土，橋墩為C40混凝土，承臺(tái)、樁基為C30混凝土。混凝土容重為26.2 kN/m3。

2.2 樁土作用模擬

橋梁場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要土層分布及厚度如表1所示。

表1 土層分布及厚度表

為分析橋梁模型中的樁土作用力，依據(jù)實(shí)際橋梁尺寸建立模型。本文對(duì)地下不同土質(zhì)土體對(duì)樁基的影響模擬依據(jù)土彈簧單元進(jìn)行，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)樁身節(jié)點(diǎn)添加點(diǎn)彈簧。

樁基礎(chǔ)在水平荷載作用時(shí)，不僅樁身受力，樁基一定范圍內(nèi)的土體也受到水平力的影響。樁基的截面形式不同時(shí)，受荷載影響的土體范圍也不同。因此，在進(jìn)行荷載計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)樁的計(jì)算寬度進(jìn)行取值。計(jì)算方法如式（1）和式（2）[2]：

當(dāng)d≥1 m時(shí)：

當(dāng)d＜1 m時(shí)：

式中，b1為樁的計(jì)算寬度，m；d為樁的直徑，m；kf為樁形換算系數(shù)；k為水平方向樁間相互影響系數(shù)。

2.3 有限元分析

地震的發(fā)生具有隨機(jī)性，因此，分析橋梁的地震響應(yīng)時(shí)應(yīng)建立空間有限元模型。力學(xué)模型建立的原則為精確反映地震荷載下橋梁的受力情況。對(duì)橋梁進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，重點(diǎn)分析對(duì)象為結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度、單元連接和邊界條件等。本文模型建立時(shí)主要考慮以下內(nèi)容：（1）模型建立原則為高質(zhì)量、高精度，準(zhǔn)確反映橋梁的動(dòng)力特性；（2）橋梁各個(gè)結(jié)構(gòu)的連接依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模擬；（3）橋梁樁基底部的固結(jié)方式為完全固結(jié)[3]。

橋梁模型建立時(shí)，墩梁采用剛性固結(jié)，橋梁上部結(jié)構(gòu)二期荷載以質(zhì)量轉(zhuǎn)化。

2.4 橋梁自振分析

對(duì)橋梁進(jìn)行空間動(dòng)力分析時(shí)，邊界條件對(duì)分析結(jié)果影響程度較大。對(duì)橋梁進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，應(yīng)分為兩種工況考慮。工況1為不考慮樁-土-結(jié)構(gòu)作用，工況2為考慮樁-土-結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析不同的橋梁模型，可以分析出橋梁的地震響應(yīng)。前10階自振周期如表2所示。

表2 前10階自振周期表

由表2可知：工況2作用下橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期比工況1較大，該現(xiàn)象表明樁土作用使橋梁自振周期變大，使橋梁抗震性能增強(qiáng)。

1）橋梁的自振周期為3.809 s，頻率為0.263 Hz，基本振型為主梁橫橋向一階側(cè)彎，該現(xiàn)象表明高墩大跨徑橋梁墩橫向剛度較為薄弱，結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)中表現(xiàn)為側(cè)向彎曲破壞，因此，橋梁在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)橫向剛度設(shè)計(jì)。

2）通過(guò)對(duì)前10階的自振周期進(jìn)行分析可知：地震力作用下，主梁產(chǎn)生橫向和豎向彎曲變形，且豎向彎曲的自振頻率大于橫向彎曲自振頻率。該現(xiàn)象表明主梁的豎向剛度較大。

3）橋梁在進(jìn)行模擬時(shí)，采用墩梁固結(jié)形式，因此，橋梁的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)。當(dāng)墩柱產(chǎn)生側(cè)彎時(shí)，主梁同樣產(chǎn)生側(cè)彎。因此，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)橋梁進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

3 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析

本文所依托大橋的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，抗震烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)為0.1g，本項(xiàng)目橋梁的特征周期0.45g，安全等級(jí)為一級(jí)。本文在El和E2地震作用下進(jìn)行橋梁抗震驗(yàn)算，并依據(jù)8級(jí)抗震等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 地震動(dòng)參數(shù)輸入

El和E2作用下的Smax（水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值）分別為2.2 m/s2和3.75 m/s2，反應(yīng)譜曲線如圖1所示。進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析時(shí)表明模型前60階振型滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 反應(yīng)譜曲線圖

3.2 反應(yīng)譜分析

3.2.1 位移分析

通過(guò)反應(yīng)譜分析橋梁抗震性能，最終給出了關(guān)鍵位置的位移，結(jié)果如表3所示。

表3 地震力作用下關(guān)鍵位置位移表

由表3可知：縱向和豎向地震作用下，橋梁墩頂縱向最大位移分別為106 mm（E1地震力作用下）和180.3 mm（E2地震力作用下）。且最大位移均出現(xiàn)在5#墩的墩頂位置。縱向和豎向地震作用下橋梁未發(fā)生橫向變形。橫向和豎向地震作用下，橋梁墩頂橫向最大位移分別為123.9 mm（E1地震力作用下）和210.6 mm（E2地震力作用下）。且最大位移均出現(xiàn)在6#墩的墩頂位置。橫向和豎向地震作用下橋梁未發(fā)生縱向變形。

3.2.2 內(nèi)力分析

通過(guò)反應(yīng)譜分析橋梁抗震性能，最終給出了關(guān)鍵位置的內(nèi)力變化，結(jié)果如表4所示。

表4 地震力作用下關(guān)鍵位置內(nèi)力表

由表4可以看出：E1和E2地震作用下，橋墩內(nèi)力變化趨勢(shì)相同，但E2地震作用下的效應(yīng)更明顯。橋墩的墩頂和墩底出現(xiàn)內(nèi)力峰值，表明該位置可能會(huì)出現(xiàn)塑性鉸。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)墩頂和墩底的延性設(shè)計(jì)。橋墩高度不同，抗震過(guò)程中呈現(xiàn)出不同的內(nèi)力變化，通過(guò)表4分析可知，6#、7#墩抗剪強(qiáng)度較大，5#、8#墩抗剪強(qiáng)度較小。同一橋墩墩底、墩頂?shù)妮S力和剪力均存在較大差異，是橋墩自重引起的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)際工程說(shuō)明樁土作用對(duì)橋梁的抗震性能有增強(qiáng)效果。通過(guò)有限元對(duì)橋梁的抗震性能分析可知：橫向和豎向地震作用下，橋梁未發(fā)生縱向變形；縱向和豎向地震作用下，橋梁未發(fā)生橫向變形。