高烈度地震區(qū)大跨度引橋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用數(shù)值模擬分析

周鑫強(qiáng)，郭浩霖，覃 杰，陳良志

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230)

引言

在高樁碼頭抗震設(shè)計(jì)中，尤其在高烈度地震區(qū)，抗震結(jié)構(gòu)一般為跨度不大的連續(xù)整體結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)整體剛度大，利用自身剛度抵抗地震荷載作用，位移小，但會(huì)造成樁基和上部結(jié)構(gòu)的工程量大幅增長(zhǎng)，工程造價(jià)明顯增加。印尼是個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，較多的海灣環(huán)境優(yōu)美，生長(zhǎng)著一大片紅樹(shù)林，而在海灣里建設(shè)高樁碼頭，跨度小形成的較密樁基會(huì)破壞紅樹(shù)林生長(zhǎng)環(huán)境，影響環(huán)境美觀。為解決上述造價(jià)和環(huán)保問(wèn)題，本文提出了一種高烈度地震區(qū)的大跨度引橋結(jié)構(gòu)，以印尼某碼頭工程為例，采用大型國(guó)際通用有限元軟件并運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立三維有限元模型進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 工程概況

印尼某碼頭工程擬建2 個(gè)卸煤泊位和約4km 引橋及引堤。

引橋結(jié)構(gòu)采用大跨度樁基結(jié)構(gòu)方案。大跨度樁基結(jié)構(gòu)是以墩臺(tái)為中心，向左右各延伸3 跨排架組成的一個(gè)結(jié)構(gòu)段。結(jié)構(gòu)段總長(zhǎng)約190 m，每跨跨距30.6 m，其中中心墩臺(tái)樁基為4 根Φ1 200 mm 鋼管樁，兩側(cè)排架樁基均為2 根Φ1 200 mm 鋼管樁，上部結(jié)構(gòu)為跨度30.6 m 的預(yù)應(yīng)力T 梁。

引橋標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段預(yù)應(yīng)力T 梁與中心墩臺(tái)、兩側(cè)排架橫梁之間采用固接形式，詳見(jiàn)圖1。引橋接岸排架采用滑移支座，滑移支座為四氟滑板支座，釋放上部結(jié)構(gòu)的水平位移，詳見(jiàn)圖2。

圖1 引橋標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)圖

圖2 引橋接岸段結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，工程場(chǎng)地復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)（中等復(fù)雜場(chǎng)地），地基復(fù)雜程度等級(jí)為一級(jí)（復(fù)雜地基）。主要巖土層有：人工填土(Q4ml)；②淤泥；③中粗砂；④粘土；巖層等18 個(gè)亞層及3個(gè)次亞層。本工程淤泥、淤泥質(zhì)土層承載力較低，壓縮性較大，厚度約15 m；中層中等～堅(jiān)硬粘土～粉質(zhì)粘土層平均層厚約30 m；巖層埋深較深，巖面平均在-56.0 m 高程以下。

工程場(chǎng)地短周期（T=0.2 s）反應(yīng)譜加速度Ss為0.761 g，1S 周期反應(yīng)譜加速度S1 為0.32 g。廠址50 年超越概率10 %的場(chǎng)地地表水平峰值加速度值為0.33 g，為8 度區(qū)。場(chǎng)地土類(lèi)型為軟弱場(chǎng)地土，場(chǎng)地類(lèi)別為III 類(lèi)。場(chǎng)地為抗震不利地段。

2 引橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

考慮上部預(yù)應(yīng)力T 梁溫度應(yīng)力的釋放要求，大跨度引橋結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度取約190 m，以雙排樁抗震墩臺(tái)為中心，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置三榀單排樁排架，與T 梁形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)段。在高烈度地震荷載作用下，整體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一協(xié)調(diào)受力；剛度較大的抗震墩臺(tái)設(shè)置于結(jié)構(gòu)段中心，有效控制結(jié)構(gòu)位移；結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入塑性變形，但未達(dá)到破壞條件，較好適應(yīng)地震作用特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)合理。

引橋標(biāo)準(zhǔn)段T 梁與中心墩臺(tái)、兩側(cè)排架橫梁采用固接形式，提高結(jié)構(gòu)抗震的整體性。引橋接岸排架橫梁上設(shè)滑移支座，釋放上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)和水平位移自由度?；浦ё捎盟姆逯ё?，使上部結(jié)構(gòu)的水平位移不受滑移支座本身剪切變形量的限制，有效釋放地震能量，減小結(jié)構(gòu)受力。

3 引橋結(jié)構(gòu)抗震數(shù)值模擬分析

根據(jù)《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，對(duì)于重要的梁板式高樁碼頭，在高烈度地震區(qū)，除應(yīng)按單質(zhì)點(diǎn)考慮水平向總地震慣性力計(jì)算外，尚應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析。

振型分解反應(yīng)譜法是用來(lái)計(jì)算多自由度體系地震作用的一種方法[2]。該法是利用單自由度體系的加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和振型分解的原理，求解各階振型對(duì)應(yīng)的等效地震作用，然后按照一定的組合原則對(duì)各階振型的地震作用效應(yīng)進(jìn)行組合，從而得到多自由度體系的地震作用效應(yīng)。采用此方法可有效地模擬結(jié)構(gòu)在地震工況下的受力情況。

3.1 單元選取

引橋墩臺(tái)采用梁?jiǎn)卧蜌卧M合簡(jiǎn)化模擬，樁基、橫梁和T 梁采用梁?jiǎn)卧M，地層采用彈簧單元模擬，引橋上部重力荷載采用質(zhì)量單元模擬，質(zhì)量單元與梁?jiǎn)卧g采用剛性梁?jiǎn)卧B接以模擬引橋上部重力荷載的作用高度。

3.2 邊界條件

本文運(yùn)用M 法通過(guò)彈簧單元模擬樁基與地基土體之間的相互作用[3]；引橋結(jié)構(gòu)段排架采用共節(jié)點(diǎn)的方式模擬T 梁與墩臺(tái)、橫梁固接，接岸排架通過(guò)梁端約束釋放命令[4]釋放T 梁端部縱橋向位移自由度和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬滑移支座。

3.3 荷載組合

引橋結(jié)構(gòu)的永久作用包括樁基、墩臺(tái)、橫梁、T 梁、管帶機(jī)、管架自重，可變作用包括管帶機(jī)活載、管架活載、流動(dòng)機(jī)械荷載、人群荷載、風(fēng)荷載、波浪力和溫度荷載等。

地震荷載通過(guò)振型分解反應(yīng)譜法施加。振型反應(yīng)譜分析中應(yīng)包含足夠的振型，以確保結(jié)構(gòu)在各主要運(yùn)動(dòng)方向都具有90 %的參與質(zhì)量，采用完全平方根組合法（CQC）進(jìn)行振型組合[5]。經(jīng)試算，振型取10 階可滿(mǎn)足要求。地震反應(yīng)譜采用《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線。根據(jù)《Design of structures for earthquake resistance》[6]，將3 個(gè)方向的地震作用進(jìn)行組合如下：

其中，EX為縱橋向地震作用，EY為橫橋向地震作用，EZ為豎向地震作用。

3.4 后處理

經(jīng)分析，鋼管樁強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算[7]的控制因素為彎矩。鋼管樁典型彎矩分布見(jiàn)圖3。

圖3 鋼管樁典型彎矩分布圖

由圖3 可知，鋼管樁彎矩的較大值出現(xiàn)在樁頂和泥面附近。

運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言在大型國(guó)際通用有限元軟件平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，分別提取樁頂、泥面附近一定范圍的彎矩最大值及對(duì)應(yīng)軸力，在所有工況的所有樁中循環(huán)操作取最值并按規(guī)定格式寫(xiě)入TXT 文本，相比采用窮舉法羅列所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)力值的方式，后處理的效率顯著提高。

3.5 引橋標(biāo)準(zhǔn)段模型數(shù)值分析

引橋標(biāo)準(zhǔn)段的有限元計(jì)算模型詳見(jiàn)圖4。

圖4 引橋結(jié)構(gòu)段有限元計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算分析，地震工況為控制工況?？v橋向地震工況下引橋標(biāo)準(zhǔn)段樁基的彎矩分布詳見(jiàn)圖5。

圖5 引橋標(biāo)準(zhǔn)段縱橋向地震工況樁基彎矩圖

鋼管樁截面抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算參照《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中板樁碼頭鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式，內(nèi)力取為標(biāo)準(zhǔn)值并乘以綜合分項(xiàng)系數(shù)1.35，鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值除以抗震調(diào)整系數(shù)0.65。經(jīng)驗(yàn)算，引橋標(biāo)準(zhǔn)段的結(jié)構(gòu)受力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.6 引橋接岸段模型數(shù)值分析

為研究接岸排架的支座形式對(duì)引橋接岸段結(jié)構(gòu)受力的影響，分別建立固接支座、鉸接支座、滑移支座三個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析。T 梁與墩臺(tái)、橫梁之間采用共節(jié)點(diǎn)的方式模擬固接支座；運(yùn)用梁端約束釋放命令釋放T 梁端部三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬鉸接支座；在鉸接支座的基礎(chǔ)上，運(yùn)用梁端約束釋放命令釋放T 梁端部縱橋向的平動(dòng)自由度，模擬滑移支座。

經(jīng)計(jì)算分析，三個(gè)模型的主要區(qū)別在于縱橋向地震激勵(lì)下樁基的彎矩和位移分布，詳見(jiàn)圖6～11和表1。

表1 引橋接岸段不同模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

圖6 固接支座模型縱橋向地震工況樁基彎矩圖

圖7 鉸接支座模型縱橋向地震工況樁基彎矩圖

圖8 滑移支座模型縱橋向地震工況樁基彎矩圖

圖9 固接支座模型縱橋向地震工況樁基位移圖

圖10 鉸接支座模型縱橋向地震工況樁基位移圖

圖11 滑移支座模型縱橋向地震工況樁基位移圖

由圖表可知，滑移支座模型中各排架樁基的彎矩分布較均勻，固接支座、鉸接支座模型中彎矩主要集中在接岸排架的鋼管樁上，最大彎矩值遠(yuǎn)大于滑移支座模型的最大彎矩值；滑移支座模型中引橋結(jié)構(gòu)的整體水平位移顯著大于固接支座、鉸接支座模型。

經(jīng)驗(yàn)算，固接支座、鉸接支座模型鋼管樁的應(yīng)力遠(yuǎn)超容許應(yīng)力，滑移支座模型鋼管樁的應(yīng)力能滿(mǎn)足規(guī)范要求。經(jīng)分析，由于接岸排架鋼管樁四周被岸坡的塊石包裹，結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于其他排架，此時(shí)若采用固接支座或鉸接支座，在縱橋向地震的激勵(lì)下，引橋結(jié)構(gòu)段樁基的彎矩絕大部分分配到接岸排架的鋼管樁上。而采用滑移支座，則能通過(guò)重新調(diào)整各排架的剛度、釋放引橋結(jié)構(gòu)段的水平位移以減小接岸排架鋼管樁的彎矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)段內(nèi)樁基彎矩的均勻分配，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)合理的目的。

根據(jù)鋼管樁的彎矩分布圖，鋼管樁的彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂，泥面附近的彎矩較大，泥面下一定范圍以下彎矩很小。因此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)樁頂處的樁芯混凝土配筋，并根據(jù)規(guī)范設(shè)置相應(yīng)的抗震鋼筋[8]，確保樁頂節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)震作用下不被破壞；鋼管樁可采取變壁厚的形式，上部壁厚大，下部壁厚小，壁厚變化點(diǎn)可根據(jù)彎矩分布圖并通過(guò)計(jì)算確定，以達(dá)到節(jié)省結(jié)構(gòu)造價(jià)的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

1）本文提出了一種高烈度地震區(qū)的大跨度引橋結(jié)構(gòu)，能較好適應(yīng)地震作用特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)合理，環(huán)境友好，避免了密集樁基對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的較大影響。

2）大跨度引橋結(jié)構(gòu)段中心設(shè)剛度較大的雙排樁抗震墩臺(tái)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力；兩側(cè)排架橫梁和T 梁采用固接形式，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)抗震的整體性。

3）引橋接岸處采用滑移支座代替固接支座或鉸接支座，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)段內(nèi)各排架剛度的均勻分配，充分發(fā)揮了每個(gè)排架的抗震能力，降低了工程造價(jià)，對(duì)類(lèi)似工程項(xiàng)目具有參考意義。

4）本文運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言在大型國(guó)際通用有限元軟件平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特點(diǎn)編程提取數(shù)據(jù)并處理，顯著提高了有限元模型的后處理效率。