(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)渭南分公司 陜西 西安 710075)

引言

當(dāng)前橋梁下部結(jié)構(gòu)普遍采用樁基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)樁基礎(chǔ)與周?chē)耐習(xí)l(fā)生一定的相互作用，大量抗震研究資料表明，樁土相互作用會(huì)大大影響結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)結(jié)果，忽略樁土相互作用的分析結(jié)果并不一定是偏安全的。樁土相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的影響不僅與土的剛度有關(guān)，而且還和橋梁結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量和剛度有關(guān)[1]。樁土相互作用的效應(yīng)主要分為兩部分，首先是土體對(duì)樁基的作用改變了上部結(jié)構(gòu)本身固有的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)阻尼，其次是樁基對(duì)土體的作用改變了地基振動(dòng)的構(gòu)成頻譜，增強(qiáng)了接近結(jié)構(gòu)自振頻率的頻譜分量[2-5]。

中小跨徑橋梁由于其裝配化施工速度的優(yōu)越性在橋梁工程建設(shè)中一直處于絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位。通常情況下，對(duì)于中小跨徑橋梁的抗震設(shè)計(jì)研究，在理想較堅(jiān)硬的基礎(chǔ)條件下橋梁建模時(shí)墩底一般選用固結(jié)的邊界條件[6]；當(dāng)考慮場(chǎng)地的樁土相互作用時(shí)，建模分析時(shí)一般采用“m”法[7]。本文擬采用上述兩種建模方式對(duì)一座中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行建模，分析兩種建模方式對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

一、橋梁簡(jiǎn)介

本文以陜西省渭南市華州大道項(xiàng)目的遇仙河橋?yàn)槔M(jìn)行建模分析，由于陜西華陰地區(qū)歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)震級(jí)達(dá)到8.25級(jí)的大地震，因此對(duì)于本橋進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)研究是非常有必要的。遇仙河橋設(shè)計(jì)為3-20m簡(jiǎn)支小箱梁橋，全寬31m，上部結(jié)構(gòu)采用20m標(biāo)準(zhǔn)跨徑的簡(jiǎn)支小箱梁橋，箱梁預(yù)制高度為120cm，橋墩高度8m，橋墩直徑1.5m，樁基礎(chǔ)直徑1.8m，平均樁長(zhǎng)35m，橋梁支座采用板式橡膠支座。

圖1 簡(jiǎn)支梁橋立面圖

二、場(chǎng)地作用

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[8]并結(jié)合本橋設(shè)計(jì)圖紙說(shuō)明，可以確定本橋?qū)儆贐類(lèi)橋梁，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[9]，可以確定本橋所處場(chǎng)地分布特征周期為0.4s，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，峰值加速度0.30g，抗震設(shè)防烈度為8度，同時(shí)按照我國(guó)現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)細(xì)則取阻尼比0.05作為結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)阻尼比[10]。本文擬采用E1地震作用等級(jí)和E2地震作用等級(jí)進(jìn)行抗震分析研究。確定上述參數(shù)之后根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[8]可以得到E1地震作用下水平加速度反應(yīng)譜峰值為Smax=0.29g，E2地震作用下水平加速度反應(yīng)譜峰值為Smax=0.88g，繼而可以繪制設(shè)計(jì)地震作用水平加速度反應(yīng)譜如下圖所示。

圖2 水平加速度反應(yīng)譜(E1和E2)

三、模型建立

建模時(shí)采用Midas civil有限元分析軟件建立結(jié)構(gòu)模型，用彈性連接的邊界條件模擬橋梁支座，樁土相互作用采用彈性支撐進(jìn)行模擬，其余結(jié)構(gòu)單元例如主梁、蓋梁、橋墩、樁基等均采用空間桿系單元進(jìn)行模擬。

分析樁土相互作用時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，同時(shí)簡(jiǎn)化樁基礎(chǔ)截面形狀和樁基礎(chǔ)之間的相互作用，計(jì)算樁基礎(chǔ)受時(shí)力不按實(shí)際樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)寬度進(jìn)行計(jì)算，而是考慮樁基礎(chǔ)的等效寬度。我國(guó)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]給出了樁基礎(chǔ)等效寬度的計(jì)算方法，詳見(jiàn)該規(guī)范附錄P中的P.0.1條具體介紹。在地基水平抗力系數(shù)C和樁基等效寬度b確定之后，就可以計(jì)算各層土的等代土彈簧剛度值如式(1.1)所示。

Ki=b·hi·Ci

(1.1)

式中：Ki—第i層地基土的等代土彈簧剛度；

b —樁基礎(chǔ)的計(jì)算寬度；

Ci—第i層地基土的計(jì)算地基水平抗力系數(shù)，可由Ci=(C上+C下)/2計(jì)算得到；

C上—第i層地基土頂部地基水平抗力系數(shù)；

C下—第i層地基土底部地基水平抗力系數(shù)。

按照橋址處的巖層地質(zhì)分析報(bào)告可以確定樁基礎(chǔ)的土層類(lèi)型主要是半堅(jiān)硬黏性土和角礫，根據(jù)我國(guó)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]可知半堅(jiān)硬黏性土層的m值為25000kN/m；角礫土層的m值為55000kN/m，以巖層厚度5m為基準(zhǔn)，按照相關(guān)公式即可分別計(jì)算各層土的等效土彈簧計(jì)算剛度。利用節(jié)點(diǎn)彈性支撐可以對(duì)作用節(jié)點(diǎn)各個(gè)方向的自由度建立彈性支撐單元，彈性支撐單元分為兩類(lèi)，一類(lèi)是線(xiàn)彈性支撐單元，用來(lái)約束三個(gè)方向平動(dòng)自由度；一類(lèi)是轉(zhuǎn)角彈性支撐單元，用來(lái)約束三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。本章分析時(shí)，按照我國(guó)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]根據(jù)“m”法計(jì)算的土彈簧剛度作為樁土相互作用彈性支撐的剛度。建模時(shí)在樁身各節(jié)點(diǎn)處僅輸入X方向和Y方向的線(xiàn)彈性剛度，樁底節(jié)點(diǎn)邊界條件采用固結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)樁土相互作用中土體對(duì)樁基側(cè)向約束的模擬，進(jìn)而可以得到考慮樁土相互作用的“m”法抗震結(jié)構(gòu)模型。

為了更好地對(duì)比分析樁土相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，本文分別建立樁基礎(chǔ)以及墩底固結(jié)模型如圖所示。

圖3 墩底固結(jié)有限元模型

圖4 樁土相互作用模型

四、計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

按照反應(yīng)譜分析法可以分別得到E1和E2地震縱橫向作用下主梁的位移響應(yīng)如表1所示，E1和E2順橋向地震作用下墩底截面最大內(nèi)力響應(yīng)如表2所示，E1和E2橫橋向地震作用下墩底截面最大內(nèi)力響應(yīng)如表3所示。

表1 縱橫向地震作用主梁最大位移

表2 順橋向地震作用墩底截面最大內(nèi)力響應(yīng)

表3 橫橋向地震作用墩底截面最大內(nèi)力響應(yīng)

從表1可以發(fā)現(xiàn)，兩種模型在地震作用下的順橋向位移均大于橫橋向位移，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)本身的順橋向剛度均小于橫橋向剛度。同等地震作用下，墩底固結(jié)模型的順橋向和橫橋向位移響應(yīng)均小于樁土相互作用模型。E1地震作用下，樁土相互作用模型順橋向位移響應(yīng)為墩底固結(jié)模型的4.9倍，橫橋向位移響應(yīng)約為墩底固結(jié)模型的5.6倍；E2地震作用下，樁土相互作用模型順橋向位移響應(yīng)為墩底固結(jié)模型的3.6倍，橫橋向位移響應(yīng)約為墩底固結(jié)模型的3.7倍。

對(duì)比表2和表3可以發(fā)現(xiàn)，兩種模型在順橋向和橫橋向的地震響應(yīng)差異并不顯著，結(jié)構(gòu)橫橋向地震響應(yīng)略大于橫橋向地震響應(yīng)。但是無(wú)論是在順橋向或者是在橫橋向，E2地震作用下墩底截面最大彎矩比E1地震作用增大了4到5倍，墩底截面最大剪力比E1地震作用增大了5到6倍。另外相比于墩底固結(jié)模型，樁土相互作用模型的墩底截面最大響應(yīng)均有小幅度增大。

五、結(jié)論

對(duì)于本文研究的簡(jiǎn)支梁橋，無(wú)論是在縱橫向地震作用下，兩種模型得到的地震作用墩底截面內(nèi)力響應(yīng)差異并不顯著。如果僅僅是為了對(duì)簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行地震作用下內(nèi)力響應(yīng)分析而不考慮位移響應(yīng)的情況下，可簡(jiǎn)化建模方式直接采用墩底固結(jié)模型。

樁土相互作用模型由于建模時(shí)考慮了地基土的剛度影響，結(jié)構(gòu)在地震作用下的順橋向和橫橋向位移響應(yīng)均比墩底固結(jié)模型高出了數(shù)倍。因此按照墩底固結(jié)模型的地震響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)研究偏不安全。

在簡(jiǎn)支梁橋抗震設(shè)計(jì)研究時(shí)，建模時(shí)考慮樁土相互作用可以得到更為準(zhǔn)確的內(nèi)力、位移地震響應(yīng)，因此在進(jìn)行抗震分析時(shí)建議考慮場(chǎng)地的樁土相互作用。