基于新抗震细则连续刚构桥深水作用抗震分析

朱 鹏

0 概述

桥梁是交通运输的枢纽工程,地震中桥梁不仅本身受到破坏,同时由于它的破坏,给抗震救灾工作的开展造成了很大的困难。因此,桥梁在地震中的安危对抗震救灾工作极为重要。交通运输部最新颁布了JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则[1],针对单跨跨径 150m以下的规则桥梁的设计,做出了规定。单跨跨径在 150m以上的特大跨径桥梁只是给出了设计原则,详细的设计仍需进行专门的研究。

1 地震对桥梁结构影响分析

地震对桥梁结构产生的作用影响主要有两种：前者是以惯性力的形式将地震荷载加在结构物上,从而引起结构物的振动,另一种是场地相对位移产生的强烈变形,所产生的超静定内力或过大的相对变形影响结构的安全。考虑到本桥所处的地质条件,我们在进行地震分析的时候需要考虑桩土相互作用和深水作用两种情况。

2 抗震分析过程介绍

以交通运输部最新颁布的《公路桥梁抗震设计细则》为指导,运用有限元软件对其进行模拟,进行地震反应分析,主要研究内容包括[2]：

1)依据桩土作用理论建立桥梁整体有限元模型;

2)考虑桩—土相互作用,建立桩基土弹簧单元;

3)分析深水条件下桥墩的受力,计算地震引起的深水惯性力和附加质量;

4)对建立的三个模型进行反应谱分析,并对计算结果进行深入分析,对大跨径桥梁抗震设计提出指导建议。

3 分析模型建立

结合广州绕城高速公路南段上某连续刚构桥建立分析模型,该桥设计水位 30m。大桥基本参数如下：

1)主桥跨径组合：(85+165+85)m;

2)主梁截面形式：单箱单室箱形截面,主梁底部沿二次曲线变化,梁高2.8m～6.8m;

3)桥墩类型：双薄壁空心墩,左右两幅采用整体式承台,墩高72m;

4)线形情况：位于直线段,双向六车道;

5)设计行车速度：120 km/h;

6)设计荷载：公路—Ⅰ级;

7)地震基本烈度：7度。

3.1 桩土相互作用模型简化

在对大跨径连续刚构桥进行抗震设计模拟时,应当尽可能真实的模拟地震场地条件。考虑桩土相互作用时应当充分认识各种土层性质,计算土弹簧刚度和土层质量,否则会对结果产生很大影响。本文使用质弹阻模型(集中质量法)对桩土相互作用进行模拟,同时还作了如下处理：

1)假定土层是有均匀各向同性的线弹性的水平层阻尼,与频率无关,各层土壤的性质可以是不同的,侧向土的性质在两个正交方向彼此无关,土抗力在轴向、侧向和扭转方向不耦合,且属于小位移问题。

2)桩底嵌入岩层一定深度,故把桩底设为固定端。地震发生时,桩和土仅发生横向位移,竖向位移忽略不计,桩—土接触面不发生相对分离。

3)等代土弹簧的刚度由土介质的 m值计算。“m法”是我国公路桥梁设计部门常用的一种桩基静力设计方法,所使用的土层的 m值以实测数据为根据[3]。

其中,m为等价土质量;ρi,Hi分别为上层土的密度和厚度; ρi-1,Hi-1分别为下层土的密度和厚度;a为土层的厚度;bp为该土层的宽度,常取桩的计算宽度[10]。

3.2 深水作用模型简化

震中深水对桥墩的作用一般说来主要表现在两个方面：一方面为桥墩外围的库水对于震动中的桥墩所产生的作用;另一方面为墩体内的水体在桥墩的震动当中,作为桥墩质量的一部分随桥墩一起震动,这些水的质量将转化为桥墩的等效质量密度。由于墩体内的水增加了墩体的有效重量,从而增大了墩体在地震当中的地震荷载,给桥墩设计带来一定的困难。

本文在模型中对深水作用的模拟采用日本《铁路结构物设计规范》规定,用下式计算动水压力：

1)当B/H≤2且B/L≤3时：

2)当B/H≥4且B/L＞2时：

其中,α为结构物不同运动类型的修正系数,这里取 α=1;A为结构物水平截面毛面积;L为平行于地震震动方向的结构长度; B为垂直于地震震动方向的结构宽度;H为高度;kh为水平地震系数,取值应与输入地震波相应;γw为粘摩擦阻力系数;y为自水面算起的深度[4]。

根据附加质量的概念,在水中桥墩最大动水压力可以设想为具有一定体积的水和结构物一起运动。这部分水的惯性力应等于实际的动水压力,故单位长度水的附加质量为m =Py/khg,进而可由积分法算出一个单元上的附加水质量[5]。

3.3 模型的建立

基于以上考虑,为了便于比较分析,本文建立三个模型,各模型计算分析时主要考虑的因素如下：

模型一：墩底固结,不考虑桩土作用和深水作用;

模型二：考虑桩土相互作用的模型;

模型三：同时考虑桩土相互作用和深水与墩的相互作用。

由于缺乏本桥场地的地震加速度记录,本文参照《公路桥梁抗震设计细则》规定的水平设计加速度反应谱方法。水平设计加速度反应谱最大值由下式确定：

其中,Ci为抗震重要性系数;Cs为场地系数;Cd为阻尼调整系数;A为水平向设计基本地震加速度峰值。

式中各系数可由《公路桥梁抗震设计细则》规定进行选取,确定的加速度反应谱如图 1所示。

3.4 模型计算

本文采用反应谱分析法,同时考虑三个正交方向的地震作用,分别单独计算 X向,Y向,Z向地震产生的最大效应EX,EY, EZ。本桥三个模型都考虑水平地震和竖向地震,分量组合为：横向(1.0)+纵向(1.0)+竖向(0.65)。

在计算过程中,为保证计算精度,选取了前 150阶振型进行叠加,三个模型的地震动、三个方向的振型质量参与因子之和均在90%以上,本文采用完全平方和法(CQC)进行反应谱组合[6]。

4 结论与分析

通过建立模型的模拟分析,对连续刚构桥深水作用下桩土效应和深水效应进行分析和总结,本文得出以下几点结论：

1)同时考虑深水作用和桩土作用,桥梁的整体轴力和弯矩都增大了。由数据分析可以看到在桩土和深水共同作用的时候,在桥梁内力方面桩土作用的效应比较明显,位移方面深水产生的效应更加明显。2)地震作用总是从地面开始的,对于大跨径的连续刚构桥,主墩首当其冲。

分析数据显示,主墩的墩顶和墩底在模拟的两种工况下,无论是轴力、弯矩还是位移都有显著地变化。因而在进行设计时,要充分考虑主墩的受力;主梁位移主要体现在顺桥向和横桥向,竖向位移并不明显。

以上结论分析对同类桥梁的抗震设计将提供有益的参考。

[1] JTG/T B02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

[2] 朱 鹏.深水作用下连续刚构桥地震反应分析[D].西安：长安大学,2009.

[3] 李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社, 2003.

[4] 范立础,胡世德,叶爱君.大跨度桥梁抗震设计[M].北京：人民交通出版社,2001.

[5] [美]R.克拉夫,J.彭津.结构动力学[M].第 2版.北京：高等教育出版社,2006.

[6] 宋一凡.公路桥梁动力学[M].北京：人民交通出版社,2000.

[7] 白德贵,王志华,陈国兴.深水桥梁桩基础考虑流固耦合效应的地震反应分析方法综述[J].防震减灾工程学报,2007 (4)：9.

[8] 高学奎,朱 晞.地震动水压力对深水桥墩的影响[J].北京交通大学学报,2006(2)：1-3.

[9] JTJ 004-89,公路工程抗震设计规范[S].

[10] JTJ 024-85,公路桥涵地基与基础设计规范[S].