考慮樁-土作用整體式承臺連續(xù)剛構橋地震反應分析

姜有鑫，郭炎峰

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

公路連續(xù)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(wěn)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(yōu)勢，同時其對地基承載能力的需求指標也將更高，但目前業(yè)內關于樁-土相互作用對整體式承臺連續(xù)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(xù)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(qū)，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(tài)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(fā)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(xù)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(xù)剛構橋為背景，為分析考慮或忽略樁-土相互作用對連續(xù)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(tài)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(xù)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(xù)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。