李文華 彭澤友++滕文剛

摘要：為了研究樁土結(jié)構(gòu)相互作用、斜交角等影響橋梁減隔震效果的影響因素，以某斜交曲線鋼箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，分別采用nD嵌固法和m法模擬樁基下部結(jié)構(gòu)邊界條件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力時(shí)程分析與比較，并探討了不同斜交角對(duì)曲線鋼箱梁橋在地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，可為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：斜交曲線鋼箱梁；時(shí)程分析；地震動(dòng)力響應(yīng)；樁土結(jié)構(gòu)作用

中圖分類號(hào)：U448.21文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1000033X（2016）06005604

0引言

中國(guó)位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，是一個(gè)強(qiáng)震多發(fā)的國(guó)家，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，工程結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[13]。在橋梁領(lǐng)域，目前減隔震技術(shù)已在中國(guó)大量推廣，該技術(shù)是通過設(shè)置減隔震裝置隔離上下部結(jié)構(gòu)的地震作用，耗散地震能量，從而降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。現(xiàn)階段關(guān)于影響橋梁減隔震效果的其他因素（樁土結(jié)構(gòu)相互作用、斜交角等）的研究較少。因此，本文以某斜交曲線鋼箱梁橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行地震動(dòng)態(tài)時(shí)程分析，探討樁土結(jié)構(gòu)相互作用及斜交角對(duì)橋梁減隔震效果的影響，并給出合理的建議。

1動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法

動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法不僅可以考慮材料、邊界等非線性因素，而且可以計(jì)算地震過程中每一瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度反應(yīng)，是目前橋梁減隔震動(dòng)力分析中首選的分析方法。

2橋梁概況及結(jié)構(gòu)建模

某斜交曲線鋼箱梁橋工程位于京藏高速公路呼和浩特至包頭段，橋梁全長(zhǎng)469738 m，共計(jì)6聯(lián)，跨徑組合為（4×20 m）+（20 m+30 m+20327 m）+（213 m+30 m+213 m）+（3×20 m）+（51811 m+518 m）+（4×20 m），其中第5聯(lián)上跨呼包高速；上部采用連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，橋位平面處于半徑為260 m的左偏圓曲線上。

本橋標(biāo)準(zhǔn)段鋼箱梁中心內(nèi)輪廓高2.2 m，高跨比為1∶25；橫斷面為單箱雙室直腹板全焊鋼箱梁，設(shè)3道縱腹板，箱梁頂板寬10.5 m，底板寬6.5 m，懸臂長(zhǎng)2 m。為了確保邊支點(diǎn)支座在最不利荷載組合下具有足夠的壓力儲(chǔ)備，邊跨梁端填充鐵砂混凝土壓重。鋼箱梁橫斷面如圖1所示。

橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁接承臺(tái)，柱徑1.7 m，樁徑1.5 m。

本文采用有限元分析軟件Midas Civil建立該橋的空間有限模型，主梁和橋墩均采用三維梁?jiǎn)卧瑱M隔板和二期鋪裝作為梁?jiǎn)卧郊淤|(zhì)量。

2.1樁基模擬

在動(dòng)態(tài)時(shí)程地震響應(yīng)分析中，地震反應(yīng)不僅與地震動(dòng)特性（峰值加速度、周期等）有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性有關(guān)。下部結(jié)構(gòu)邊界條件常用的模擬方法有直接嵌固法、n倍樁徑嵌固法（簡(jiǎn)稱nD嵌固法，D為樁徑）和m法，不同模擬方法對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的剛度影響較大[4]。直接嵌固法是指在計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的地震影響時(shí)，不考慮樁基礎(chǔ)的影響，直接在墩底固結(jié)。nD嵌固法是指部分考慮樁基礎(chǔ)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，即在地表或一般沖刷線下某一深度（通常取樁徑整數(shù)倍）將樁基固結(jié)，嵌固深度H為

H=2.5/α（1）

α=5mb1EI（2）

式中：α為樁基變形系數(shù)；m為地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；b1為樁基礎(chǔ)的計(jì)算寬度；EI為樁基礎(chǔ)的剛度（E為樁身材料的彈性模量，I為樁身橫截面的慣性矩）。

m法是指將橋梁結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)共同考慮，將樁周土體對(duì)基樁的作用模擬為沿深度變化的一系列彈簧，彈簧剛度按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63—2007）中的m法要求取值[5]。需要注意的是，由于樁頂處土體對(duì)樁基礎(chǔ)的力學(xué)行為影響很大，因此土體彈簧的設(shè)置一般以“上密下疏”為原則。

對(duì)于地震動(dòng)力問題，由于直接嵌固法沒有考慮樁基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，難以反映結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力狀態(tài)。故本文分別采用nD嵌固法和m法模擬下部結(jié)構(gòu)邊界條件，以研究不同邊界條件模擬方法對(duì)結(jié)構(gòu)受力分析的影響。nD嵌固模型與樁身土彈簧模型（m法模型）如圖2所示。

2.2隔震支座力學(xué)模型

由于該橋所處地區(qū)地震烈度較高，故采用了橋梁減隔震設(shè)計(jì)來降低地震響應(yīng)。減隔震支座選用了高阻尼隔震橡膠支座，在地震中通過高阻尼橡膠在水平方向的大位移剪切變形及滯回耗能吸收地震能量，隔離橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的地震運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，減小地震作用力，從而實(shí)現(xiàn)減隔震功能，保障橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全。

本支座力學(xué)模型為雙線性模型，在非地震荷載即荷載較小時(shí)，支座處于未屈服狀態(tài)，即一次剛度狀態(tài)，剛度較大，各種荷載作用產(chǎn)生的位移較小，能夠較好地滿足正常應(yīng)用；而在較大的地震作用下，支座將進(jìn)入屈服狀態(tài)，即二次剛度狀態(tài)，剛度大幅減小，使得橋梁上下部結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，起到隔震消能作用。該支座力學(xué)模型如圖3所示。

3動(dòng)力特性分析

本文分別進(jìn)行了nD嵌固模型和樁身土彈簧模型的特征值分析。結(jié)構(gòu)的前10階周期如表1所示。

由表1可知，樁身土彈簧模型的自振周期均大于nD嵌固模型的自振周期。前10階振型中，自振周期最小的延長(zhǎng)率達(dá)1.5%，最大的高達(dá)22.7%，即在考慮樁土效應(yīng)后，整個(gè)體系的自振周期延長(zhǎng)，自振頻率減小。由于本橋所處地區(qū)地質(zhì)條件較差，彈簧剛度按照規(guī)范給出的m值較小，而樁身土彈簧模型的樁長(zhǎng)是nD嵌固模型樁長(zhǎng)的數(shù)倍，故在m值較小的情況下，樁身土彈簧模型的柔性明顯大于nD嵌固模型，即在地質(zhì)條件較差的情況下，采用nD嵌固模型難以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的自振周期。

4地震響應(yīng)時(shí)程分析

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B0201—2008），本橋?qū)儆贐類橋梁，地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g（g為重力加速度）。本文在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力地震響應(yīng)分析時(shí)，按照瑞利阻尼模型選取結(jié)構(gòu)阻尼，其中計(jì)算瑞利阻尼的第1階振型為結(jié)構(gòu)的基本振型，第2階振型取參考質(zhì)量率最大的振型。在一致激勵(lì)輸入下分別對(duì)nD嵌固模型和樁身土彈簧模型進(jìn)行時(shí)程動(dòng)力響應(yīng)分析。

本文分別對(duì)比了樁身土彈簧模型與nD嵌固模型邊界條件下結(jié)構(gòu)的彎矩和剪力，結(jié)果如表2、3所示。

由表2、3可知，與nD嵌固法相比，采用樁身土彈簧模擬樁土效應(yīng)時(shí)，在地震力作用下，墩底彎矩和剪力都相應(yīng)減小，尤其是中墩橫橋向彎矩，2種邊界條件下彎矩差值都超過10%。由于采用nD嵌固法模擬邊界條件時(shí)，結(jié)構(gòu)整體剛度偏大，計(jì)算結(jié)果偏于保守，設(shè)計(jì)人員應(yīng)予以重視。

5中墩斜交角對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響

由于被交路的限制，本橋梁中墩為斜交布置。為了分析中墩斜交角對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響，建立中墩斜交角θ分別為20°、40°、70°和90°的樁身土彈簧模型，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程地震響應(yīng)分析[7]。分析結(jié)果如表4、5及圖4、5所示。

從表4、5及圖4、5可知，隨著斜交角度不斷增大，過渡墩順橋向彎矩逐漸增大，橫橋向彎矩逐漸減小，且順橋向與橫橋向間彎矩差值逐漸增大；而中墩順橋向彎矩逐漸減小，橫橋向彎矩逐漸增大，且順橋

向與橫橋向彎矩間彎矩差值逐漸減小，當(dāng)斜交角為90°時(shí)，中墩順橋向與橫橋向彎矩差值達(dá)到最小。

由此可知，對(duì)于過渡墩彎矩控制設(shè)計(jì)的橋梁來說，中墩斜交角度增大對(duì)于橋梁抗震是不利的。由于中墩斜交角度的增大，過渡墩順橋向及橫橋向彎矩差值逐漸增大，為了抵抗順橋向彎矩，橋墩截面需相應(yīng)加大，而橫橋向彎矩又相應(yīng)較小，是不經(jīng)濟(jì)的。

對(duì)于中墩彎矩控制設(shè)計(jì)的橋梁，中墩斜交角度增大對(duì)于橋梁抗震是有利的，因?yàn)橹卸枕槝蛳蚣皺M橋向彎矩的差值將隨斜交角度的增大而減小，由此而得的中墩截面尺寸較為優(yōu)化，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

6結(jié)語

本文以某斜交曲線鋼箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃治霰容^了采用nD嵌固法和m法模擬樁土效應(yīng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力響應(yīng)，并探討了中墩斜交角對(duì)曲線鋼箱梁橋地震內(nèi)力的影響，主要結(jié)論如下。

（1）在地質(zhì)條件較差的情況下，采用nD嵌固模型難以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的自振周期。由于m值較小，而樁身土彈簧模型的樁長(zhǎng)是nD嵌固模型樁長(zhǎng)的數(shù)倍，故在與本文所述實(shí)例橋類似的情況下，樁身土彈簧模型的柔性明顯大于nD嵌固模型，采用nD嵌固法計(jì)算的結(jié)構(gòu)自振周期將明顯小于采用m法計(jì)算的結(jié)構(gòu)自振周期。

（2）采用m法模擬樁土效應(yīng)時(shí)，在地震力的作用下，本工程實(shí)例橋墩底彎矩及剪力均小于采用nD嵌固法的計(jì)算結(jié)果，且兩者差值較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠重視。

（3）對(duì)于過渡墩彎矩控制設(shè)計(jì)的橋梁，中墩斜交角度增大對(duì)于橋梁抗震是不利的；對(duì)于中墩彎矩控制設(shè)計(jì)的橋梁，中墩斜交角度增大對(duì)于橋梁抗震是有利的。故在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合比較利弊，在條件允許的情況下，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的安全性及經(jīng)濟(jì)性。

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