張世冀 賈少敏

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司 貴陽(yáng) 550001； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 611830)

地震作用對(duì)我國(guó)橋梁特別是斜拉橋[1-2]造成了不可估量的損失。學(xué)者們對(duì)斜拉橋的抗震性能進(jìn)行了大量研究，姜長(zhǎng)宇等[3-4]建立某獨(dú)塔混凝土斜拉橋的有輔助墩和無(wú)輔助墩模型，探究斜拉橋動(dòng)力特性、主梁變形及受力的影響。雷春煦[5]分析了樁土相互作用和行波效應(yīng)對(duì)某高低墩斜拉橋的地震響應(yīng)。高大峰等[6-7]分別基于動(dòng)力水和隨機(jī)振動(dòng)，分析了樁土相互作用對(duì)大跨度斜拉橋的地震響應(yīng)，并認(rèn)為斜拉橋在地震分析時(shí)有必要考慮樁土相互作用的影響?；谏鲜鲅芯浚疚囊再F州省某斜拉橋?yàn)檠芯勘尘?，分析樁土相互作用和輔助墩對(duì)斜拉橋地震響應(yīng)的影響。

1 工程概述

本文所選工程背景為主跨560 m的雙塔雙索面組合梁斜拉橋，其橋型布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 橋型布置圖(單位：m)

該橋橋?qū)?7.5 m；引橋采用裝配式40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋?qū)?4.5 m。主橋采用半漂浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁分離，組合梁在索塔下橫梁上設(shè)置豎向支承，輔助墩、交界墩與橋臺(tái)上設(shè)置豎向支承。

2 有限元模型及工況確定

2.1 有限元模型

有、無(wú)輔助墩將在很大程度上影響著斜拉橋的受力情況，基于SAP2000建立該橋有輔助墩和無(wú)輔助墩的有限元模型，并考慮樁土結(jié)構(gòu)相互作用(SSI作用)，分析不同土層特性對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。限于篇幅，此處未考慮輔助墩在不同位置時(shí)的結(jié)構(gòu)受力影響。據(jù)橋址處土層特性可知，該橋輔助墩和主橋塔底土質(zhì)相差不大，分布較均勻。而不同土層特性參數(shù)對(duì)樁土相互作用影響較大，進(jìn)而可影響結(jié)構(gòu)自振特性。為探究不同土層特性對(duì)該橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，采用JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)[8]規(guī)定的6種土特性，基于m法模擬SSI作用，并計(jì)算土彈簧剛度。有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 斜拉橋有限元模型

2.2 工況確定

為研究有、無(wú)輔助墩和SSI作用對(duì)斜拉橋靜力穩(wěn)定性、自振特性及地震動(dòng)力響應(yīng)的影響，首先分析有輔助墩和無(wú)輔助墩的靜動(dòng)力響應(yīng)，然后再按照《規(guī)范》計(jì)算6種土層特性(軟塑黏性土、可塑黏性土、半堅(jiān)硬黏性土、硬塑黏性土、砂礫土、卵石)的樁土相互作用對(duì)斜拉橋靜動(dòng)力響應(yīng)的影響，按表1設(shè)置計(jì)算工況。

表1 計(jì)算工況

2.3 自振特性

自振特性是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，此處給出3個(gè)工況和6種土層下前10階自振頻率，見(jiàn)圖3。

圖3 自振頻率

由圖3分析可知，有輔助墩無(wú)樁基的各階自振頻率最高，因?yàn)榭紤]SSI作用后，會(huì)降低結(jié)構(gòu)剛度，且有輔助墩相對(duì)于無(wú)輔助墩而言，可提高結(jié)構(gòu)剛度。因此，工況2即有輔助墩無(wú)樁基的各階自振頻率最高。

3 地震動(dòng)的確定

為了給后續(xù)地震動(dòng)力響應(yīng)的分析做準(zhǔn)備，此處從太平洋地震工程研究中心地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取了7條實(shí)測(cè)地震動(dòng)，其參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)測(cè)地震動(dòng)

4 響應(yīng)分析

4.1 有、無(wú)輔助墩

4.1.1塔底彎矩

依據(jù)表2的7條實(shí)測(cè)地震動(dòng)，按照表1設(shè)置的計(jì)算工況計(jì)算得②號(hào)和③號(hào)塔底彎矩響應(yīng)見(jiàn)圖4。圖中“②號(hào)+(X+Z)”表示②號(hào)塔頂在縱向地震X和豎向地震Z作用下的彎矩響應(yīng)值，其余類(lèi)推。

圖4 塔底彎矩

據(jù)圖4分析可知：

1) 有輔助墩有樁基無(wú)土彈簧的塔底彎矩值小于無(wú)樁基和無(wú)輔助墩下的塔底彎矩值，而無(wú)樁基和無(wú)輔助墩的塔底彎矩值相差不大。

2) ②號(hào)塔底彎矩值大于③號(hào)塔底彎矩值，這是因?yàn)棰谔?hào)塔較高，塔底將會(huì)產(chǎn)生更大彎矩值。

3) 在橫向+豎向地震作用下的塔底彎矩值略大于縱向+豎向地震下的塔底彎矩值，說(shuō)明該橋受橫向地震影響較大。

4.1.2斜拉索軸力

3個(gè)計(jì)算工況下的端斜拉索軸力見(jiàn)圖5。

圖5 端斜拉索軸力

其中“②號(hào)左+(X+Z)”表示②號(hào)橋塔左邊端斜拉索在縱向地震X和豎向地震Y作用下的軸力。分析可知：在工況1下的端斜拉索軸力最大，在工況3下的端斜拉索軸力最小，而在工況2下的端斜拉索軸力介于兩者之間。

4.2 土層特性參數(shù)

以《規(guī)范》中給出的6種土層研究樁土相互作用對(duì)斜拉橋的地震響應(yīng)，采用m法計(jì)算樁土相互作用的土彈簧剛度。在前兩節(jié)分析基礎(chǔ)上，選擇有輔助墩、半漂浮體系作為本節(jié)有限元基準(zhǔn)模型，通過(guò)改變樁基土彈簧的剛度來(lái)模擬不同土層特性對(duì)斜拉橋地震響應(yīng)的影響。

4.2.1位移響應(yīng)

各關(guān)鍵點(diǎn)縱向、豎向和橫向位移隨土層特性的變化情況見(jiàn)圖6和圖7，分析可知：

圖6 縱向和豎向位移

圖7 橫向位移

1) 塔頂縱向位移和跨中豎向位移隨土層硬度增加而緩慢減小，主梁縱、橫向位移和塔頂橫向位移幾乎不隨土層硬度的增加而改變。

2) 在各個(gè)土層及地震下的橫向位移要大于縱向位移，說(shuō)明該橋橫向剛度較小。

4.2.2塔底彎矩

6種土層和2種地震動(dòng)作用下的塔墩底彎矩圖見(jiàn)圖8。由圖8可知，塔墩底彎矩幾乎不隨土層硬度的增加而改變；但在橫向地震作用下的彎矩值大于縱向地震作用下的彎矩值，這與位移計(jì)算結(jié)果保持一致。

圖8 塔墩底彎矩

4.2.3端拉索軸力

端拉索軸力在6種土層和2種地震作用下的變化規(guī)律圖見(jiàn)圖9。

圖9 端拉索軸力

由圖9可知，端拉索軸力隨著土層硬度的增加，呈緩慢減小的趨勢(shì)；③號(hào)塔右邊的端拉索軸力略大于②號(hào)塔左邊的端拉索軸力；且在縱向地震下的端拉索軸力大于在橫向地震下的端拉索軸力，這也與位移計(jì)算結(jié)果保持一致。

5 結(jié)語(yǔ)

本文探究了SSI作用(樁土結(jié)構(gòu)相互作用)和輔助墩對(duì)斜拉橋地震響應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下。

1) 有輔助墩無(wú)樁基的各階頻率最高，因?yàn)榭紤]SSI作用后，會(huì)降低結(jié)構(gòu)剛度，且有輔助墩相對(duì)于無(wú)輔助墩而言，可提高結(jié)構(gòu)剛度。

2) 有輔助墩和考慮SSI作用可減小塔底彎矩，且在縱向+豎向地震下作用的斜拉索軸力大于橫向+豎向地震作用下的斜拉索軸力。

3) 隨著土層硬度的增加，位移響應(yīng)、彎矩和端拉索軸力有緩慢減小的趨勢(shì)。