朱 鵬

0 概述

橋梁是交通運輸?shù)臉屑~工程,地震中橋梁不僅本身受到破壞,同時由于它的破壞,給抗震救災(zāi)工作的開展造成了很大的困難。因此,橋梁在地震中的安危對抗震救災(zāi)工作極為重要。交通運輸部最新頒布了JTG/T B02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計細則[1],針對單跨跨徑 150m以下的規(guī)則橋梁的設(shè)計,做出了規(guī)定。單跨跨徑在 150m以上的特大跨徑橋梁只是給出了設(shè)計原則,詳細的設(shè)計仍需進行專門的研究。

1 地震對橋梁結(jié)構(gòu)影響分析

地震對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用影響主要有兩種：前者是以慣性力的形式將地震荷載加在結(jié)構(gòu)物上,從而引起結(jié)構(gòu)物的振動,另一種是場地相對位移產(chǎn)生的強烈變形,所產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力或過大的相對變形影響結(jié)構(gòu)的安全?？紤]到本橋所處的地質(zhì)條件,我們在進行地震分析的時候需要考慮樁土相互作用和深水作用兩種情況。

2 抗震分析過程介紹

以交通運輸部最新頒布的《公路橋梁抗震設(shè)計細則》為指導(dǎo),運用有限元軟件對其進行模擬,進行地震反應(yīng)分析,主要研究內(nèi)容包括[2]：

1)依據(jù)樁土作用理論建立橋梁整體有限元模型;

2)考慮樁—土相互作用,建立樁基土彈簧單元;

3)分析深水條件下橋墩的受力,計算地震引起的深水慣性力和附加質(zhì)量;

4)對建立的三個模型進行反應(yīng)譜分析,并對計算結(jié)果進行深入分析,對大跨徑橋梁抗震設(shè)計提出指導(dǎo)建議。

3 分析模型建立

結(jié)合廣州繞城高速公路南段上某連續(xù)剛構(gòu)橋建立分析模型,該橋設(shè)計水位 30m。大橋基本參數(shù)如下：

1)主橋跨徑組合：(85+165+85)m;

2)主梁截面形式：單箱單室箱形截面,主梁底部沿二次曲線變化,梁高2.8m～6.8m;

3)橋墩類型：雙薄壁空心墩,左右兩幅采用整體式承臺,墩高72m;

4)線形情況：位于直線段,雙向六車道;

5)設(shè)計行車速度：120 km/h;

6)設(shè)計荷載：公路—Ⅰ級;

7)地震基本烈度：7度。

3.1 樁土相互作用模型簡化

在對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋進行抗震設(shè)計模擬時,應(yīng)當盡可能真實的模擬地震場地條件?？紤]樁土相互作用時應(yīng)當充分認識各種土層性質(zhì),計算土彈簧剛度和土層質(zhì)量,否則會對結(jié)果產(chǎn)生很大影響。本文使用質(zhì)彈阻模型(集中質(zhì)量法)對樁土相互作用進行模擬,同時還作了如下處理：

1)假定土層是有均勻各向同性的線彈性的水平層阻尼,與頻率無關(guān),各層土壤的性質(zhì)可以是不同的,側(cè)向土的性質(zhì)在兩個正交方向彼此無關(guān),土抗力在軸向、側(cè)向和扭轉(zhuǎn)方向不耦合,且屬于小位移問題。

2)樁底嵌入巖層一定深度,故把樁底設(shè)為固定端。地震發(fā)生時,樁和土僅發(fā)生橫向位移,豎向位移忽略不計,樁—土接觸面不發(fā)生相對分離。

3)等代土彈簧的剛度由土介質(zhì)的 m值計算。“m法”是我國公路橋梁設(shè)計部門常用的一種樁基靜力設(shè)計方法,所使用的土層的 m值以實測數(shù)據(jù)為根據(jù)[3]。

其中,m為等價土質(zhì)量;ρi,Hi分別為上層土的密度和厚度; ρi-1,Hi-1分別為下層土的密度和厚度;a為土層的厚度;bp為該土層的寬度,常取樁的計算寬度[10]。

3.2 深水作用模型簡化

震中深水對橋墩的作用一般說來主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面為橋墩外圍的庫水對于震動中的橋墩所產(chǎn)生的作用;另一方面為墩體內(nèi)的水體在橋墩的震動當中,作為橋墩質(zhì)量的一部分隨橋墩一起震動,這些水的質(zhì)量將轉(zhuǎn)化為橋墩的等效質(zhì)量密度。由于墩體內(nèi)的水增加了墩體的有效重量,從而增大了墩體在地震當中的地震荷載,給橋墩設(shè)計帶來一定的困難。

本文在模型中對深水作用的模擬采用日本《鐵路結(jié)構(gòu)物設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,用下式計算動水壓力：

1)當B/H≤2且B/L≤3時：

2)當B/H≥4且B/L＞2時：

其中,α為結(jié)構(gòu)物不同運動類型的修正系數(shù),這里取 α=1;A為結(jié)構(gòu)物水平截面毛面積;L為平行于地震震動方向的結(jié)構(gòu)長度; B為垂直于地震震動方向的結(jié)構(gòu)寬度;H為高度;kh為水平地震系數(shù),取值應(yīng)與輸入地震波相應(yīng);γw為粘摩擦阻力系數(shù);y為自水面算起的深度[4]。

根據(jù)附加質(zhì)量的概念,在水中橋墩最大動水壓力可以設(shè)想為具有一定體積的水和結(jié)構(gòu)物一起運動。這部分水的慣性力應(yīng)等于實際的動水壓力,故單位長度水的附加質(zhì)量為m =Py/khg,進而可由積分法算出一個單元上的附加水質(zhì)量[5]。

3.3 模型的建立

基于以上考慮,為了便于比較分析,本文建立三個模型,各模型計算分析時主要考慮的因素如下：

模型一：墩底固結(jié),不考慮樁土作用和深水作用;

模型二：考慮樁土相互作用的模型;

模型三：同時考慮樁土相互作用和深水與墩的相互作用。

由于缺乏本橋場地的地震加速度記錄,本文參照《公路橋梁抗震設(shè)計細則》規(guī)定的水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜方法。水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值由下式確定：

其中,Ci為抗震重要性系數(shù);Cs為場地系數(shù);Cd為阻尼調(diào)整系數(shù);A為水平向設(shè)計基本地震加速度峰值。

式中各系數(shù)可由《公路橋梁抗震設(shè)計細則》規(guī)定進行選取,確定的加速度反應(yīng)譜如圖 1所示。

3.4 模型計算

本文采用反應(yīng)譜分析法,同時考慮三個正交方向的地震作用,分別單獨計算 X向,Y向,Z向地震產(chǎn)生的最大效應(yīng)EX,EY, EZ。本橋三個模型都考慮水平地震和豎向地震,分量組合為：橫向(1.0)+縱向(1.0)+豎向(0.65)。

在計算過程中,為保證計算精度,選取了前 150階振型進行疊加,三個模型的地震動、三個方向的振型質(zhì)量參與因子之和均在90%以上,本文采用完全平方和法(CQC)進行反應(yīng)譜組合[6]。

4 結(jié)論與分析

通過建立模型的模擬分析,對連續(xù)剛構(gòu)橋深水作用下樁土效應(yīng)和深水效應(yīng)進行分析和總結(jié),本文得出以下幾點結(jié)論：

1)同時考慮深水作用和樁土作用,橋梁的整體軸力和彎矩都增大了。由數(shù)據(jù)分析可以看到在樁土和深水共同作用的時候,在橋梁內(nèi)力方面樁土作用的效應(yīng)比較明顯,位移方面深水產(chǎn)生的效應(yīng)更加明顯。2)地震作用總是從地面開始的,對于大跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋,主墩首當其沖。

分析數(shù)據(jù)顯示,主墩的墩頂和墩底在模擬的兩種工況下,無論是軸力、彎矩還是位移都有顯著地變化。因而在進行設(shè)計時,要充分考慮主墩的受力;主梁位移主要體現(xiàn)在順橋向和橫橋向,豎向位移并不明顯。

以上結(jié)論分析對同類橋梁的抗震設(shè)計將提供有益的參考。

[1] JTG/T B02-01-2008,公路橋梁抗震設(shè)計細則[S].

[2] 朱 鵬.深水作用下連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)分析[D].西安：長安大學(xué),2009.

[3] 李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M].北京：中國鐵道出版社, 2003.

[4] 范立礎(chǔ),胡世德,葉愛君.大跨度橋梁抗震設(shè)計[M].北京：人民交通出版社,2001.

[5] [美]R.克拉夫,J.彭津.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].第 2版.北京：高等教育出版社,2006.

[6] 宋一凡.公路橋梁動力學(xué)[M].北京：人民交通出版社,2000.

[7] 白德貴,王志華,陳國興.深水橋梁樁基礎(chǔ)考慮流固耦合效應(yīng)的地震反應(yīng)分析方法綜述[J].防震減災(zāi)工程學(xué)報,2007 (4)：9.

[8] 高學(xué)奎,朱 晞.地震動水壓力對深水橋墩的影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2006(2)：1-3.

[9] JTJ 004-89,公路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[10] JTJ 024-85,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].