樁土結(jié)構(gòu)相互作用及輔助墩對組合梁斜拉橋地震響應(yīng)的影響

張世冀 賈少敏

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司 貴陽 550001； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 611830)

地震作用對我國橋梁特別是斜拉橋[1-2]造成了不可估量的損失。學(xué)者們對斜拉橋的抗震性能進(jìn)行了大量研究，姜長宇等[3-4]建立某獨(dú)塔混凝土斜拉橋的有輔助墩和無輔助墩模型，探究斜拉橋動力特性、主梁變形及受力的影響。雷春煦[5]分析了樁土相互作用和行波效應(yīng)對某高低墩斜拉橋的地震響應(yīng)。高大峰等[6-7]分別基于動力水和隨機(jī)振動，分析了樁土相互作用對大跨度斜拉橋的地震響應(yīng)，并認(rèn)為斜拉橋在地震分析時有必要考慮樁土相互作用的影響。基于上述研究，本文以貴州省某斜拉橋為研究背景，分析樁土相互作用和輔助墩對斜拉橋地震響應(yīng)的影響。

1 工程概述

本文所選工程背景為主跨560 m的雙塔雙索面組合梁斜拉橋，其橋型布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖(單位：m)

該橋橋?qū)?7.5 m；引橋采用裝配式40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋?qū)?4.5 m。主橋采用半漂浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁分離，組合梁在索塔下橫梁上設(shè)置豎向支承，輔助墩、交界墩與橋臺上設(shè)置豎向支承。

2 有限元模型及工況確定

2.1 有限元模型

有、無輔助墩將在很大程度上影響著斜拉橋的受力情況，基于SAP2000建立該橋有輔助墩和無輔助墩的有限元模型，并考慮樁土結(jié)構(gòu)相互作用(SSI作用)，分析不同土層特性對結(jié)構(gòu)受力的影響。限于篇幅，此處未考慮輔助墩在不同位置時的結(jié)構(gòu)受力影響。據(jù)橋址處土層特性可知，該橋輔助墩和主橋塔底土質(zhì)相差不大，分布較均勻。而不同土層特性參數(shù)對樁土相互作用影響較大，進(jìn)而可影響結(jié)構(gòu)自振特性。為探究不同土層特性對該橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，采用JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)[8]規(guī)定的6種土特性，基于m法模擬SSI作用，并計算土彈簧剛度。有限元模型見圖2。

圖2 斜拉橋有限元模型

2.2 工況確定

為研究有、無輔助墩和SSI作用對斜拉橋靜力穩(wěn)定性、自振特性及地震動力響應(yīng)的影響，首先分析有輔助墩和無輔助墩的靜動力響應(yīng)，然后再按照《規(guī)范》計算6種土層特性(軟塑黏性土、可塑黏性土、半堅硬黏性土、硬塑黏性土、砂礫土、卵石)的樁土相互作用對斜拉橋靜動力響應(yīng)的影響，按表1設(shè)置計算工況。

表1 計算工況

2.3 自振特性

自振特性是結(jié)構(gòu)動力分析的基礎(chǔ)，此處給出3個工況和6種土層下前10階自振頻率，見圖3。

圖3 自振頻率

由圖3分析可知，有輔助墩無樁基的各階自振頻率最高，因為考慮SSI作用后，會降低結(jié)構(gòu)剛度，且有輔助墩相對于無輔助墩而言，可提高結(jié)構(gòu)剛度。因此，工況2即有輔助墩無樁基的各階自振頻率最高。

3 地震動的確定

為了給后續(xù)地震動力響應(yīng)的分析做準(zhǔn)備，此處從太平洋地震工程研究中心地震動數(shù)據(jù)庫中選取了7條實測地震動，其參數(shù)見表2。

表2 實測地震動

4 響應(yīng)分析

4.1 有、無輔助墩

4.1.1塔底彎矩

依據(jù)表2的7條實測地震動，按照表1設(shè)置的計算工況計算得②號和③號塔底彎矩響應(yīng)見圖4。圖中“②號+(X+Z)”表示②號塔頂在縱向地震X和豎向地震Z作用下的彎矩響應(yīng)值，其余類推。

圖4 塔底彎矩

據(jù)圖4分析可知：

1) 有輔助墩有樁基無土彈簧的塔底彎矩值小于無樁基和無輔助墩下的塔底彎矩值，而無樁基和無輔助墩的塔底彎矩值相差不大。

2) ②號塔底彎矩值大于③號塔底彎矩值，這是因為②號塔較高，塔底將會產(chǎn)生更大彎矩值。

3) 在橫向+豎向地震作用下的塔底彎矩值略大于縱向+豎向地震下的塔底彎矩值，說明該橋受橫向地震影響較大。

4.1.2斜拉索軸力

3個計算工況下的端斜拉索軸力見圖5。

圖5 端斜拉索軸力

其中“②號左+(X+Z)”表示②號橋塔左邊端斜拉索在縱向地震X和豎向地震Y作用下的軸力。分析可知：在工況1下的端斜拉索軸力最大，在工況3下的端斜拉索軸力最小，而在工況2下的端斜拉索軸力介于兩者之間。

4.2 土層特性參數(shù)

以《規(guī)范》中給出的6種土層研究樁土相互作用對斜拉橋的地震響應(yīng)，采用m法計算樁土相互作用的土彈簧剛度。在前兩節(jié)分析基礎(chǔ)上，選擇有輔助墩、半漂浮體系作為本節(jié)有限元基準(zhǔn)模型，通過改變樁基土彈簧的剛度來模擬不同土層特性對斜拉橋地震響應(yīng)的影響。

4.2.1位移響應(yīng)

各關(guān)鍵點縱向、豎向和橫向位移隨土層特性的變化情況見圖6和圖7，分析可知：

圖6 縱向和豎向位移

圖7 橫向位移

1) 塔頂縱向位移和跨中豎向位移隨土層硬度增加而緩慢減小，主梁縱、橫向位移和塔頂橫向位移幾乎不隨土層硬度的增加而改變。

2) 在各個土層及地震下的橫向位移要大于縱向位移，說明該橋橫向剛度較小。

4.2.2塔底彎矩

6種土層和2種地震動作用下的塔墩底彎矩圖見圖8。由圖8可知，塔墩底彎矩幾乎不隨土層硬度的增加而改變；但在橫向地震作用下的彎矩值大于縱向地震作用下的彎矩值，這與位移計算結(jié)果保持一致。

圖8 塔墩底彎矩

4.2.3端拉索軸力

端拉索軸力在6種土層和2種地震作用下的變化規(guī)律圖見圖9。

圖9 端拉索軸力

由圖9可知，端拉索軸力隨著土層硬度的增加，呈緩慢減小的趨勢；③號塔右邊的端拉索軸力略大于②號塔左邊的端拉索軸力；且在縱向地震下的端拉索軸力大于在橫向地震下的端拉索軸力，這也與位移計算結(jié)果保持一致。

5 結(jié)語

本文探究了SSI作用(樁土結(jié)構(gòu)相互作用)和輔助墩對斜拉橋地震響應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下。

1) 有輔助墩無樁基的各階頻率最高，因為考慮SSI作用后，會降低結(jié)構(gòu)剛度，且有輔助墩相對于無輔助墩而言，可提高結(jié)構(gòu)剛度。

2) 有輔助墩和考慮SSI作用可減小塔底彎矩，且在縱向+豎向地震下作用的斜拉索軸力大于橫向+豎向地震作用下的斜拉索軸力。

3) 隨著土層硬度的增加，位移響應(yīng)、彎矩和端拉索軸力有緩慢減小的趨勢。