鄧育林 雷 凡 何雄君

（武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

結(jié)構(gòu)體系問題是設(shè)計大跨斜拉橋首先要解決的問題，因此，不少學者針對大跨斜拉橋的合理抗震體系展開了研究，如葉愛君等［1－2］以蘇通大橋為例，對超大跨斜拉橋合理抗震體系展開了研究；徐秀麗等［3］、周大興［4］等分別對斜拉橋減震控制方法進行了研究；王志強［5］等對粘滯阻尼器參數(shù)對大跨斜拉橋抗震性能影響研究.

此外，對于大跨斜拉橋，土－結(jié)構(gòu)動力相互作用是影響其抗震性能的另一個重要因素.有學者研究表明，對于大跨橋梁結(jié)構(gòu)，由于基礎(chǔ)的質(zhì)量較大，當上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的自振周期相近時，結(jié)構(gòu)的地震反應會表現(xiàn)出顯著的共振效應［6］.本文結(jié)合一座大跨斜拉橋工程設(shè)計實例，采用sap2000有限元軟件建立考慮群樁－土動力相互作用的三維有限元計算模型，通過比較主塔基礎(chǔ)不同承臺形式下大跨斜拉橋的地震響應以及抗震能力／需求比，分析主塔基礎(chǔ)承臺形式的變化對大跨斜拉橋抗震性能的影響規(guī)律，為大跨斜拉橋抗震設(shè)計提供理論依據(jù).

1 計算模型分析

1.1 工程概況

斜拉橋主橋跨徑布置為70m＋75m＋84m＋818m＋230m＋128m＝1 405m的6跨不對稱雙塔雙索面混合梁斜拉橋，主橋跨徑布置如圖1所示.其中，索塔采用H形塔，每個分離的塔柱分為上、中、下3段，上塔柱為錨索區(qū)塔柱，高116 m，中塔柱高72m，北塔下塔柱高49.04m，南塔下塔柱高36.54m，北索塔總高度為237.4m，南索塔總高度為224.54m.

圖1 橋梁總體布置圖（單位：m）

北塔基礎(chǔ)為高樁承臺深水基礎(chǔ)，采用啞鈴型承臺，由2個直徑26m的圓形和系梁組成，樁基礎(chǔ)43根樁直徑2.5m組成.南塔基礎(chǔ)為低樁承臺基礎(chǔ)，設(shè)計時提出了2個方案：（1）分離式承臺，由邊長為20.5m×20.50m×6.0m分離式承臺接32根長67m直徑2.5m的灌注樁，橫橋向?qū)?0m；（2）啞鈴型承臺，采用截面為9.0m×4.5 m矩形系梁將兩邊承臺連接在一起，其余尺寸同方案1.南索塔基礎(chǔ)方案設(shè)計見圖2.

圖2 承臺平面圖

1.2 計算模型

地震反應模擬計算采用空間結(jié)構(gòu)的有限單元方法，應用SAP2000有限元程序進行分析.利用空間梁單元模擬主梁、主塔與墩柱，用空間桿單元模擬拉索，考慮拉索垂度和恒載作用對結(jié)構(gòu)剛度的影響（P－△效應）；主梁節(jié)點和斜拉索吊點以及橋塔與拉索錨固區(qū)用主從關(guān)系模擬.二期恒載采用分布質(zhì)最模擬，承臺模擬為質(zhì)點，并將承臺質(zhì)量以集中質(zhì)量的形式加在該質(zhì)點上.為了模擬承臺的大剛度，將模擬承臺的質(zhì)點與墩底、樁頂節(jié)點采用主從關(guān)系加以限制.采用“m”法模擬群樁－土動力相互作用，即在每根樁節(jié)點上施加縱向和橫向彈簧.

分析承臺形式改變對結(jié)構(gòu)地震反應的影響時，針對南塔，建立了2個模型：模型1為啞鈴型承臺；模型2為分離式承臺.

2 地震動輸入

根據(jù)本橋工程特點與結(jié)構(gòu)的重要性，該橋采用975年重現(xiàn)期（簡稱地震水平I）和2 500年重現(xiàn)期（簡稱地震水平II）2種概率水平的地震作用作為設(shè)防標準.地震安全性評價報告分別提供了該橋地震水平I和地震水平II下的三條人工地震加速度時程.本文分析時采用2 500年重現(xiàn)期（簡稱地震水平II）概率水平的地震加速度時程，如圖3所示.

圖3 加速度時程

3 結(jié)構(gòu)動力特性的比較與分析

結(jié)構(gòu)的動力特性是橋梁在地震荷載作用下動力響應的基本特征，地震動輸入和結(jié)構(gòu)振動特性共同決定了結(jié)構(gòu)的地震響應輸出.模型1和模型2的前5階振型周期及振型描述，見表1.

表1 自振周期及振型描述 s

由表1可見，2個模型前5階振型周期和振型特征相差不大，南塔采用分離式承臺時，由于基礎(chǔ)剛度略有下降，相應振型的振型周期略有增大.

4 結(jié)構(gòu)的地震響應比較與分析

在結(jié)構(gòu)有限元模型，輸入圖4的3條地震加速度時程，地震動輸入為一致激勵輸入，方向組合采用2種方式：（1）縱向＋豎向；（2）橫向＋豎向.豎向加速度時程曲線的形狀與水平向加速度時程曲線一致，加速度峰值為水平向加速度峰值的2／3.地震響應取3條地震波的平均值.

表2給出了在縱向＋豎向和在橫向＋豎向地震作用下，不同承臺結(jié)構(gòu)形式下，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點的地震位移響應.

表2 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點位移響應最大值 m

由表2可見，在縱向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎(chǔ)采用分離式還是啞鈴型承臺，對其關(guān)鍵節(jié)點地震位移響應影響很?。欢跈M向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎(chǔ)采用分離式還是啞鈴型承臺，對北塔頂最大橫向地震位移影響很小，但對南塔頂最大橫向地震位移有一定的影響，采用分離式承臺時結(jié)構(gòu)橫向剛度有所減小，位移響應有所增大.

圖4給出了在縱向＋豎向地震作用下，南塔柱地震剪力和彎矩包絡(luò)；圖5給出了在縱向＋豎向地震作用下，南塔柱地震剪力和彎矩包絡(luò).

圖4 南塔柱地震響應包絡(luò)（縱向＋豎向地震）

圖5 南塔柱地震響應包絡(luò)（橫向＋豎向地震）

從圖4可以看出，在縱向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎(chǔ)采用分離式還是啞鈴型承臺，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的地震響應影響很??；而在橫向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎(chǔ)采用分離式還是啞鈴型承臺，對北塔底地震響應影響不大，但對南塔底地震響應有明顯影響，南塔基礎(chǔ)承臺形式的變化對南塔柱地震響應的影響很小.

從圖5可以看出在橫向＋豎向地震作用下，南塔基礎(chǔ)承臺形式的變化對南塔柱地震響應的影響較為明顯，其中對下塔柱的影響更為顯著；當南塔基礎(chǔ)采用分離式承臺時，下塔柱地震響應明顯小于采用啞鈴型承臺，盡管中、上塔柱截面的地震響應有增有減，但總體來說，分離式承臺對塔柱結(jié)構(gòu)抗震更為有利.

為進一步分析承臺形式改變對南塔結(jié)構(gòu)地震響應的影響，表3給出了在縱向＋豎向和在橫向＋豎向地震作用下，承臺結(jié)構(gòu)形式對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的地震響應的影響.

表3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的內(nèi)力響應（橫向＋豎向地震）

由表3可見，當南塔基礎(chǔ)采用啞鈴型承臺時，南塔底截面最大地震剪力和彎矩分別減小了12%和49%.因此，采用分離式承臺時，南塔塔底地震響應明顯減小，對橋塔結(jié)構(gòu)抗震有利.

以上分析表明，主塔基礎(chǔ)承臺形式的變化對結(jié)構(gòu)地震響應的影響具有局部性，只對其對應主塔結(jié)構(gòu)的地震響應有較大影響，而對主梁、另一主塔結(jié)構(gòu)的地震響應影響很小.因此，以下僅探討南塔基礎(chǔ)承臺形式的變化對其群樁基礎(chǔ)地震響應的影響規(guī)律.

表4給出了在縱向＋豎向和在橫向＋豎向地震作用下，承臺結(jié)構(gòu)形式的變化對最不利單樁最大地震響應的影響.

從表4中看出，在縱向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎(chǔ)采用分離式還是啞鈴型承臺，對最不利單樁最大地震響應影響較??；而在橫向＋豎向地震作用下，對最不利單樁最大地震響應有明顯影響，當南塔基礎(chǔ)采用啞鈴型承臺時，南塔最不利單樁最大地震軸力增大了30%，而最大地震彎矩減小了33%.

表4 南塔基礎(chǔ)單樁最大地震響應

從上分析表明，承臺形式的改變對其對應樁基礎(chǔ)橫向地震響應有較大影響，但對樁基礎(chǔ)不同內(nèi)力分量的影響趨勢不同，由于樁基礎(chǔ)的抗震性能與其所受的動軸力與彎矩均密切相關(guān)，因此，應綜合考慮對動軸力與彎矩的影響，才能評判哪種承臺形式對樁基礎(chǔ)的抗震性能有利.

表5列出了在橫向＋豎向地震作用下，南塔基礎(chǔ)最不利單樁最大地震彎矩需求、抗彎能力以及能力／需求比.

表5 南塔樁基能力／需求比

由表5可見，在橫向＋豎向地震作用下，當南塔基礎(chǔ)采用分離式承臺時，最不利單樁的抗震能力／需求比更大，即采用啞鈴型承臺對提高單樁抗震性能更為有利.

綜上，主塔基礎(chǔ)承臺形式采用分離式承臺時對主塔結(jié)構(gòu)的抗震性能有利，而采用啞鈴型承臺時對主塔基礎(chǔ)的抗震性能有利，因此，應綜合考慮并予以選擇承臺形式.

5 結(jié) 論

1）主塔基礎(chǔ)承臺形式的變化對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響具有局部性，只對其對應主塔結(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)的地震響應可能有較大影響，而對主梁、另一主塔結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的地震響應影響很小.

2）主塔基礎(chǔ)承臺形式的變化對結(jié)構(gòu)縱向地震響應的影響不大，即無論是采用分離式承臺還是啞鈴型承臺，主塔結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的地震響應相差不大.

3）主塔基礎(chǔ)承臺形式的變化對主塔結(jié)構(gòu)橫向地震響應的影響較大，特別是下塔柱的地震響應影響明顯；采用分離式承臺時，塔底地震響應明顯小于啞鈴型承臺，因此，從提高主塔結(jié)構(gòu)抗震性能的角度看優(yōu)選分離式承臺.

4）主塔基礎(chǔ)承臺形式的變化對其樁基礎(chǔ)橫向地震響應影響較大；采用啞鈴型承臺時，抗震能力需求比明顯要大于分離式承臺，因此，從提高主塔基礎(chǔ)抗震性能的角度看優(yōu)選啞鈴型承臺.

［1］葉愛君，胡世德，范立礎(chǔ).超大跨度斜拉橋的地震位移控制［J］.土木工程學報，2004，37（12）：38－43.

［2］葉愛君，范立礎(chǔ).附加阻尼器對超大跨度斜拉橋的減震效果［J］.同濟大學學報：自然科學版，2006，34（7）：859－863.

［3］徐秀麗，劉偉慶，李龍安，等.斜拉橋結(jié)構(gòu)減震設(shè)計優(yōu)化研究［J］.地震工程與工程振動，2006，26（2）：119－124.

［4］周大興，閆維明，陳彥江，等.千米級斜拉橋的減震控制［J］.公路交通科技，2011，28（11）：71－75.

［5］王志強，胡世德，范立礎(chǔ).東海大橋粘滯阻尼器參數(shù)研究［J］.中國公路學報，2005，18（3）：37－42.

［6］葉愛君，劉偉岸，王斌斌.高樁承臺基礎(chǔ)與橋梁結(jié)構(gòu)的動力相互作用［J］.同濟大學學報，2007，35（9）：1163－1168.