樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用對大跨度CFST拱橋的地震反應(yīng)的影響

唐 駿，邵永健

(蘇州科技學(xué)院)

樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用對大跨度CFST拱橋的地震反應(yīng)的影響

唐 駿，邵永健

(蘇州科技學(xué)院)

以某大跨度鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉ο螅瑯痘A(chǔ)與地基采用J.Penzien質(zhì)量－彈簧體系模擬。大跨度鋼管混凝土(CFST)拱橋的三維有限元模型使用ANSYS軟件建立，并進(jìn)行了橋梁的地震反應(yīng)空間非線性時程分析，主要分析了考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用后，在地震動不同輸入方式下該橋的地震反應(yīng)。結(jié)果表明，不同的地震動輸入方式下，樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用對大跨度CFST拱橋地震反應(yīng)的影響是不同的。

樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用;地震反應(yīng);鋼管混凝土拱橋

0 引言

大跨度鋼管混凝土拱橋因其結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，越來越受到橋梁設(shè)計(jì)者的青睞。已有研究表明:考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用后，體系的動力特性與剛性基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)的不同主要表現(xiàn)為:自振周期延長、阻尼變大、內(nèi)力及位移變化。因此，要全面的了解結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，就應(yīng)該考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用的影響。文獻(xiàn)通過考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用影響，分析了高層建筑風(fēng)振響應(yīng)，結(jié)果表明樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用通過對結(jié)構(gòu)加速度的影響進(jìn)而影響到舒適度;文獻(xiàn)分析了樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用對大跨度鋼管混凝土拱橋地震反應(yīng)的影響，結(jié)果顯示橋梁的周期變長，同時內(nèi)力及位移也發(fā)生相應(yīng)的變化。以某中承式大跨度鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉ο螅謩e建立拱腳固結(jié)模式(模式a)和考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用模式(模式b)，分析了在不同地震動輸入方式下兩模型的地震反應(yīng)，主要分析了考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用對橋梁的地震反應(yīng)的影響，為同類結(jié)構(gòu)的抗震的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 J.Penzien模型及參數(shù)的確定

J.Penzien質(zhì)量－彈簧模型是目前廣泛采用的模型之一，計(jì)算簡圖如圖1所示。在使用集中質(zhì)量法時做了相關(guān)的假定:(1)假定各層土壤是均勻的且各向同性的線彈性體，各層土壤的性質(zhì)可以不同;(2)在2個上，側(cè)向土的性質(zhì)彼此無關(guān)，在軸向，側(cè)向和扭轉(zhuǎn)方向不耦合，且屬于小位移問題;(3)等代土彈簧的剛度由(地基土的比例系數(shù))計(jì)算，本文的m值參照相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取為120×104kN/m4，其定義如下所示

式中:σzx為土體對樁的，z為土層深度，xz為樁在z處的，由此可以求得土彈簧的剛度ks

其中，a為土層厚度，bp為該土層垂直于計(jì)算模型所在平面方向上的寬度，ks可采用表征土介質(zhì)彈簧性質(zhì)的m參數(shù)來計(jì)算等代土彈簧的剛度。土彈簧剛度的具體計(jì)算見文獻(xiàn)。

圖1 樁基空間計(jì)算模式簡圖

2 工程概況及空間有限元模型的建立

2.1 工程概況

某大跨度中承式鋼管混凝土桁架橋，主孔凈跨徑是460 m，拱軸采用變高度(拱腳H=14.0 m，拱頂H=7.0 m)、等寬度(B=4.14 m)截面，凈矢跨比為1/3.8，拱軸系數(shù)為m=1.55的懸鏈線設(shè)計(jì)方案。主拱圈由兩肋組成，每肋由四根鋼管構(gòu)成組合矩形截面柱，每肋間距12 m處設(shè)置橫隔。橋面與拱肋相交處寬27.84 m，其余各處橋?qū)?9 m，其中車行道15 m，設(shè)雙向四車道，兩側(cè)人行道各2 m。該橋2個主墩基礎(chǔ)的鋼筋混凝土樁各有24根，混凝土等級為C25，樁長25 m，樁直徑1.2 m，樁的底部嵌入整個基巖3 m。

2.2 空間有限元計(jì)算模型的建立

基于ANSYS建立了該橋計(jì)算模型，如圖3所示:鋼管混凝土拱肋、橫撐、拱上立柱等采用Beam188單元模擬，吊桿采用Link10單元模擬。邊界條件的處理:在模式a中，橋面邊墩處限制縱橋向的移動，主拱墩處固結(jié);在模式b中，用Beam44單元模擬實(shí)際的樁基礎(chǔ)，土介質(zhì)的動力性質(zhì)用combin14單元來模擬，單元示意圖見圖2所示。該單元本身無質(zhì)量，在主墩拱座處，用質(zhì)量單元模擬其承臺質(zhì)量，其它條件同模式a。

圖2 COMBIN14單元示意圖

圖3 大跨鋼管混凝土拱橋的有限元計(jì)算模型

3 地震反應(yīng)非線性動力時程分析

3.1 地震動輸入

該橋橋址位于6度區(qū)，按7度設(shè)防，場地類別為Ⅱ類。比較一些常見的天然強(qiáng)震加速度記錄，選取EL－Centrol波對該橋進(jìn)行分析。把水平向的EL－Centro波的加速度峰值進(jìn)行調(diào)整，作為地展波水平輸入，豎向輸人記錄取為水平輸入的1/2，調(diào)整后EL－Centro波如圖4、圖5所示。

圖4 調(diào)整后水平向地震波輸入

圖5 調(diào)整后豎向地震波輸入

3.2 地震響應(yīng)計(jì)算方法及結(jié)果

基于ANSYS的非線性動力時程分析，采用Newmark－β法計(jì)算了分別計(jì)算了兩種模式橋梁的地震反應(yīng)，運(yùn)動方程如公式(3)所示。分析過程中阻尼比ξ=0.05，時間步長Δt= 0.02 s，共計(jì)算2 000時步，計(jì)算總時間為40 s。

式中:M、C、K分別為結(jié)構(gòu)總的質(zhì)量矩陣、總阻尼矩陣、總剛度矩陣;分別是結(jié)構(gòu)的加速度向量、速度向量和位移向量;F是施加在人工邊界上的等效力。

在不同地震動輸入方式下，主拱肋下弦桿關(guān)鍵截面Mises應(yīng)力值如表1所示。限于篇幅，圖7和圖8僅給出橫向輸入+縱向輸入的拱頂?shù)乃轿灰品磻?yīng)時程分析圖。

表1 模式a、模式b主拱肋下弦桿關(guān)鍵截面Mises應(yīng)力值 MPa

圖6 拱頂水平位移(橫向+縱向，模式a)

圖7 拱頂水平位移(橫向+縱向，模式b)

4 結(jié)論

通過考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用的影響，分析了大跨度CFST拱橋地震反應(yīng)，得到以下的結(jié)論。

(1)當(dāng)考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用后，模式b關(guān)鍵截面的的應(yīng)力值要小于模式a的應(yīng)力值。通過圖6和圖7對比可以得到，模式b拱頂?shù)乃轿灰埔笥谀Ｊ絘的拱頂水平位移。

(2)不同地震動輸入方式對拱肋關(guān)鍵截面的影響也是不同的。從表2可以得到，按方式二輸入時主拱頂截面受影響最大，而按方式一和方式三輸入時變化最大的截面卻在拱腳處，表明了考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用后，大跨度CFST拱橋地震反應(yīng)是錯綜復(fù)雜的。

(3)從表2可以得到，考慮土樁結(jié)構(gòu)相互作用時該橋各關(guān)鍵截面的地震應(yīng)力雖然有所下降，最大也只有9.03%(方式二時拱頂處)。因此，在樁基上建立大跨度CFST拱橋時，當(dāng)基礎(chǔ)剛度得到保證后，采用拱腳固結(jié)模式進(jìn)行抗震分析是可行的。

(4)在地震作用下，從表2還可以得到，拱肋關(guān)鍵截面的最大應(yīng)力值都在拱腳處，表明鋼管混凝土拱橋最危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)部位是拱腳，設(shè)計(jì)中應(yīng)在該部位采取加強(qiáng)措施。

［1］ Penzien J，Scheffey C F，Parmelee R A.Seismic analysis of bridges on long piles［J］.ASCE，1964，90(3):223－254.

［2］ 范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

［3］ 范存新，張毅，薛松濤等.樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用對高層建筑風(fēng)振舒適度的影響［J］.振動與沖擊，2006，25(3):90－94.

［4］ 王浩，楊玉冬，李愛群，等.土－樁－結(jié)構(gòu)相互作用對大跨度CFST拱橋地震反應(yīng)的影響［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，35(3): 433－437.

U442

C

1008－3383(2015)10－0086－02

2015－01－13

唐駿(1978－)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)理論及其應(yīng)用研究。