趙凌志

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都 610031)

近年來，我國高速鐵路建設(shè)的勢頭正如火如荼，高速鐵路若需要跨越江河峽谷，橋梁結(jié)構(gòu)形式大量在其線路中采用[1]。而我國地震災(zāi)害頻繁[2]，作為交通生命線系統(tǒng)中重要樞紐的橋梁，在地震中遭受到了較大的破壞。地震作用下高速鐵路的地震響應(yīng)問題成為了研究的熱點(diǎn)[3]。而橋墩在地震中較易發(fā)生損傷[4]，其地震響應(yīng)特性更應(yīng)該得到重視。本文以一座高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的最大懸臂體系為研究對象，分別建立了墩底固結(jié)模型和考慮樁土效應(yīng)的模型，選取3條地震動記錄，研究樁土效應(yīng)對的結(jié)構(gòu)自振周期的影響，以及不同地震動強(qiáng)度作用下樁土效應(yīng)對橋墩墩底曲率和墩頂位移的影響，并得出了一些有意義的結(jié)論。

1 橋梁概況與有限元模型的建立

該高速鐵路橋?yàn)?6 m+160 m+96 m的雙線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，梁體為單箱單室直腹板形式，采用C60混凝土，箱形截面頂板寬11.9 m，底板寬8.5 m，主墩頂處梁高10.5 m，跨中梁高4.5 m，墩頂?shù)娇缰辛焊甙磮A曲線變化。主墩采用截面形式為圓端形的雙壁墩，材料為C50混凝土，雙柱中心間距6.3 m，墩截面圓端直徑2.2 m，橫向總長11.4 m，在墩底3 m高度范圍內(nèi)采用變截面，從上到下線型變化，墩底的圓端直徑加寬到4.2 m，2號主墩墩高23 m，3號主墩墩高22 m。主墩基礎(chǔ)采用12φ2.5 m鉆孔樁，樁長11 m，樁基礎(chǔ)按行列式布置，承臺長15 m，寬21.9 m，高5 m，承臺和樁基礎(chǔ)均采用C35混凝土。橋梁采用懸灌施工方法，最大懸臂狀態(tài)時懸臂長度為79 m，以2號主墩為例，其懸臂體系見圖1。承臺底面以下0～4 m為人工填土，4～7 m為強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖，7～11 m為弱風(fēng)化凝灰熔巖。場地類別為II類。

采用有限元軟件OpenSEES(開放的地震工程模擬系統(tǒng))進(jìn)行在地震波作用下的非線性時程分析。主梁、承臺和樁基采用彈性梁柱單元(ElasticBeamColumn)，主墩采用非線性梁柱單元(NonlinearBeamColumn)?？紤]樁土相互作用所采用的方法為“m”法[1,5]，將樁周圍的土質(zhì)當(dāng)作線彈性的土彈簧，樁側(cè)土的水平地基系數(shù)隨著入土深度按比例增加。通過“m”法可將一定土層厚度的剛度系數(shù)計算出來，然后在該土層中間對應(yīng)的樁單元節(jié)點(diǎn)處施加該節(jié)點(diǎn)彈性支撐。在OpenSEES中可采用零長度單元(ZeroLength)來模擬該彈性支撐。

圖1 2號主墩最大懸臂體系(單位：m)

不考慮樁土效應(yīng)的模型(固結(jié)模型)，墩底直接固結(jié)處理，不建立承臺和樁基?？紤]樁土效應(yīng)的模型(樁土模型)，建立承臺和樁基，并在樁基對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)施加土彈簧。

2 樁土效應(yīng)的影響

從太平洋地震工程研究中心(PEER)選擇與該橋址場地類型相近的遠(yuǎn)場天然地震波記錄作為地震動輸入。選取的3條地震波記錄序列號(Record Sequence Number)為：1 157、1 762和3 831，分別記作EQ1、EQ2和EQ3。

2.1 自振周期

對兩種模型分別進(jìn)行模態(tài)分析，提取前9階模態(tài)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)周期(表1)?？芍紤]樁土效應(yīng)后，結(jié)構(gòu)自振周期變長，體系變?nèi)?，隨著階數(shù)的增加，兩者的差異逐漸變小。

表1 兩種模型前9階自振周期的對比 S

2.2 墩底曲率

由于雙壁墩墩底3 m范圍內(nèi)截面加大，最大曲率不發(fā)生在墩底，而發(fā)生在距墩底3 m高的截面處。以此截面為墩底曲率的研究截面，運(yùn)用增量動力分析方法(IDA)把選取的3條波的峰值地面加速度(PGA)分別調(diào)到0.1 g、0.4 g、0.7 g、1.0 g和1.3 g，地震波沿順橋向加載，對兩種模型分別進(jìn)行非線性時程分析，提取研究截面的最大曲率(圖2)。

(a)EQ1作用下墩底曲率最大值

(b)EQ2作用下墩底曲率最大值

(c)EQ3作用下墩底曲率最大值

由圖2可知，考慮樁土作用后，墩底截面的最大曲率會變小，但減小的幅度，與輸入地震波的頻譜特性及PGA的大小有關(guān)。EQ1作用下，PGA在0.1～1.3 g范圍內(nèi)，墩底截面基本處于彈性階段，墩底曲率最大值的減小幅度最小，兩種模型墩底曲率變化程度相當(dāng)。EQ2作用下，對于固結(jié)模型，當(dāng)PGA>0.4 g時，墩底塑性開始發(fā)展，且速度較快，墩底曲率增加較快；當(dāng)PGA>1.0 g時塑性發(fā)展放緩；對于樁土模型，在PGA=1.0 g時墩底塑性才開始發(fā)展，可見樁土效應(yīng)延遲了墩底塑性的發(fā)展；當(dāng)PGA>1.0 g時，墩底曲率增加速度開始變快。EQ2作用下，樁土效應(yīng)對墩底曲率的減小幅度為最大。EQ3作用下的情況類似EQ2，對于固結(jié)模型，當(dāng)PGA在0.4 g左右時，墩底塑性開始發(fā)展；而樁土模型，PGA達(dá)到0.7 g左右時才能達(dá)到相同的墩底曲率。

2.3 墩頂位移

同樣用IDA方法進(jìn)行非線性時程分析，提取墩頂順橋向位移的最大值(圖3)。

(a)EQ1作用下墩頂位移最大值

(b)EQ2作用下墩頂位移最大值

(c)EQ3作用下墩頂位移最大值

EQ1作用下，由墩底曲率結(jié)果分析可知，橋墩基本處在彈性階段，其墩頂位移基本隨PGA的增大按線性關(guān)系增大，在相同的地震動強(qiáng)度作用下，考慮樁土效應(yīng)后，墩頂位移變大，且增幅已達(dá)200 %，墩頂位移對樁土效應(yīng)較為敏感。

EQ2作用下，當(dāng)PGA在0.1～0.7 g范圍內(nèi)，樁土模型的墩頂位移均大于固結(jié)模型的結(jié)果。對于固結(jié)模型，PGA>0.7 g時，墩底塑性發(fā)展較快，墩頂位移增長迅速。由于樁土效應(yīng)延遲了墩底塑性的發(fā)展，在PGA=1.0 g時，考慮樁土效應(yīng)后的墩頂位移并沒有比固結(jié)模型的大。當(dāng)PGA>1.0 g時，固結(jié)模型的墩頂位移增長速度放緩，樁土模型的墩頂位移增長速度才開始變大，樁土模型的墩頂位移越來越接近固結(jié)模型，并有趕超的趨勢。

EQ3作用下的情況與EQ1類似。同一個模型在不同的地震波作用下，墩頂位移最大值的差異較大，說明其地震響應(yīng)和輸入的地震波的頻譜特性密切相關(guān)。從以上分析可知，考慮樁土效應(yīng)后，橋墩墩頂?shù)淖畲笪灰埔话闱闆r下比固結(jié)模型大，但墩頂位移值還與輸入地震波的頻譜特性及地震動強(qiáng)度有關(guān)，不排除在某種地震波作用下在地震動強(qiáng)度較大時考慮樁土效應(yīng)后墩頂位移最大值會變小的情況。

3 結(jié)論

對一座高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段的最大懸臂狀態(tài)，運(yùn)用IDA的方法，對考慮和不考慮樁土效應(yīng)兩種模型進(jìn)行了非線性時程分析，得出以下主要結(jié)論。

(1)考慮樁土效應(yīng)后，結(jié)構(gòu)自振周期變長，體系變?nèi)?，隨著模態(tài)階數(shù)增加，兩種模型的自振周期差異逐漸變小。

(2)樁土效應(yīng)會延遲墩底塑性程度的發(fā)展?？紤]樁土作用后，墩底截面的最大曲率會變小，但減小的幅度，與輸入地震波的頻譜特性及地震動強(qiáng)度有關(guān)。

(3)考慮樁土效應(yīng)后，橋墩墩頂?shù)淖畲笪灰埔话闱闆r下比固結(jié)模型的大，但墩頂位移值還與輸入地震波的頻譜特性及地震動強(qiáng)度有關(guān)，不排除在某種地震波作用下當(dāng)?shù)卣饎訌?qiáng)度較大時考慮樁土效應(yīng)后墩頂位移最大值會變小的情況。

綜上，對高速鐵路橋梁鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行彈塑性地震響應(yīng)分析時需要考慮樁土效應(yīng)的影響。