桩－土－结构相互作用对大跨度CFST拱桥的地震反应的影响

唐 骏，邵永健

(苏州科技学院)

桩－土－结构相互作用对大跨度CFST拱桥的地震反应的影响

唐 骏，邵永健

(苏州科技学院)

以某大跨度钢管混凝土拱桥为研究对象，桩基础与地基采用J.Penzien质量－弹簧体系模拟。大跨度钢管混凝土(CFST)拱桥的三维有限元模型使用ANSYS软件建立，并进行了桥梁的地震反应空间非线性时程分析，主要分析了考虑桩－土－结构相互作用后，在地震动不同输入方式下该桥的地震反应。结果表明，不同的地震动输入方式下，桩－土－结构相互作用对大跨度CFST拱桥地震反应的影响是不同的。

桩－土－结构相互作用;地震反应;钢管混凝土拱桥

0 引言

大跨度钢管混凝土拱桥因其结构及经济上的优越性，越来越受到桥梁设计者的青睐。已有研究表明:考虑桩－土－结构相互作用后，体系的动力特性与刚性基础上结构的不同主要表现为:自振周期延长、阻尼变大、内力及位移变化。因此，要全面的了解结构的动力响应，就应该考虑桩－土－结构相互作用的影响。文献通过考虑桩－土－结构相互作用影响，分析了高层建筑风振响应，结果表明桩－土－结构相互作用通过对结构加速度的影响进而影响到舒适度;文献分析了桩－土－结构相互作用对大跨度钢管混凝土拱桥地震反应的影响，结果显示桥梁的周期变长，同时内力及位移也发生相应的变化。以某中承式大跨度钢管混凝土拱桥为研究对象，分别建立拱脚固结模式(模式a)和考虑桩－土－结构相互作用模式(模式b)，分析了在不同地震动输入方式下两模型的地震反应，主要分析了考虑桩－土－结构相互作用对桥梁的地震反应的影响，为同类结构的抗震的设计提供参考依据。

1 J.Penzien模型及参数的确定

J.Penzien质量－弹簧模型是目前广泛采用的模型之一，计算简图如图1所示。在使用集中质量法时做了相关的假定:(1)假定各层土壤是均匀的且各向同性的线弹性体，各层土壤的性质可以不同;(2)在2个上，侧向土的性质彼此无关，在轴向，侧向和扭转方向不耦合，且属于小位移问题;(3)等代土弹簧的刚度由(地基土的比例系数)计算，本文的m值参照相关实验数据取为120×104kN/m4，其定义如下所示

式中:σzx为土体对桩的，z为土层深度，xz为桩在z处的，由此可以求得土弹簧的刚度ks

其中，a为土层厚度，bp为该土层垂直于计算模型所在平面方向上的宽度，ks可采用表征土介质弹簧性质的m参数来计算等代土弹簧的刚度。土弹簧刚度的具体计算见文献。

图1 桩基空间计算模式简图

2 工程概况及空间有限元模型的建立

2.1 工程概况

某大跨度中承式钢管混凝土桁架桥，主孔净跨径是460 m，拱轴采用变高度(拱脚H=14.0 m，拱顶H=7.0 m)、等宽度(B=4.14 m)截面，净矢跨比为1/3.8，拱轴系数为m=1.55的悬链线设计方案。主拱圈由两肋组成，每肋由四根钢管构成组合矩形截面柱，每肋间距12 m处设置横隔。桥面与拱肋相交处宽27.84 m，其余各处桥宽19 m，其中车行道15 m，设双向四车道，两侧人行道各2 m。该桥2个主墩基础的钢筋混凝土桩各有24根，混凝土等级为C25，桩长25 m，桩直径1.2 m，桩的底部嵌入整个基岩3 m。

2.2 空间有限元计算模型的建立

基于ANSYS建立了该桥计算模型，如图3所示:钢管混凝土拱肋、横撑、拱上立柱等采用Beam188单元模拟，吊杆采用Link10单元模拟。边界条件的处理:在模式a中，桥面边墩处限制纵桥向的移动，主拱墩处固结;在模式b中，用Beam44单元模拟实际的桩基础，土介质的动力性质用combin14单元来模拟，单元示意图见图2所示。该单元本身无质量，在主墩拱座处，用质量单元模拟其承台质量，其它条件同模式a。

图2 COMBIN14单元示意图

图3 大跨钢管混凝土拱桥的有限元计算模型

3 地震反应非线性动力时程分析

3.1 地震动输入

该桥桥址位于6度区，按7度设防，场地类别为Ⅱ类。比较一些常见的天然强震加速度记录，选取EL－Centrol波对该桥进行分析。把水平向的EL－Centro波的加速度峰值进行调整，作为地展波水平输入，竖向输人记录取为水平输入的1/2，调整后EL－Centro波如图4、图5所示。

图4 调整后水平向地震波输入

图5 调整后竖向地震波输入

3.2 地震响应计算方法及结果

基于ANSYS的非线性动力时程分析，采用Newmark－β法计算了分别计算了两种模式桥梁的地震反应，运动方程如公式(3)所示。分析过程中阻尼比ξ=0.05，时间步长Δt= 0.02 s，共计算2 000时步，计算总时间为40 s。

式中:M、C、K分别为结构总的质量矩阵、总阻尼矩阵、总刚度矩阵;分别是结构的加速度向量、速度向量和位移向量;F是施加在人工边界上的等效力。

在不同地震动输入方式下，主拱肋下弦杆关键截面Mises应力值如表1所示。限于篇幅，图7和图8仅给出横向输入+纵向输入的拱顶的水平位移反应时程分析图。

表1 模式a、模式b主拱肋下弦杆关键截面Mises应力值 MPa

图6 拱顶水平位移(横向+纵向，模式a)

图7 拱顶水平位移(横向+纵向，模式b)

4 结论

通过考虑桩－土－结构相互作用的影响，分析了大跨度CFST拱桥地震反应，得到以下的结论。

(1)当考虑桩－土－结构相互作用后，模式b关键截面的的应力值要小于模式a的应力值。通过图6和图7对比可以得到，模式b拱顶的水平位移要大于模式a的拱顶水平位移。

(2)不同地震动输入方式对拱肋关键截面的影响也是不同的。从表2可以得到，按方式二输入时主拱顶截面受影响最大，而按方式一和方式三输入时变化最大的截面却在拱脚处，表明了考虑桩－土－结构相互作用后，大跨度CFST拱桥地震反应是错综复杂的。

(3)从表2可以得到，考虑土桩结构相互作用时该桥各关键截面的地震应力虽然有所下降，最大也只有9.03%(方式二时拱顶处)。因此，在桩基上建立大跨度CFST拱桥时，当基础刚度得到保证后，采用拱脚固结模式进行抗震分析是可行的。

(4)在地震作用下，从表2还可以得到，拱肋关键截面的最大应力值都在拱脚处，表明钢管混凝土拱桥最危险的结构部位是拱脚，设计中应在该部位采取加强措施。

［1］ Penzien J，Scheffey C F，Parmelee R A.Seismic analysis of bridges on long piles［J］.ASCE，1964，90(3):223－254.

［2］ 范立础.桥梁抗震［M］.上海:同济大学出版社，1997.

［3］ 范存新，张毅，薛松涛等.桩－土－结构相互作用对高层建筑风振舒适度的影响［J］.振动与冲击，2006，25(3):90－94.

［4］ 王浩，杨玉冬，李爱群，等.土－桩－结构相互作用对大跨度CFST拱桥地震反应的影响［J］.东南大学学报，2005，35(3): 433－437.

U442

C

1008－3383(2015)10－0086－02

2015－01－13

唐骏(1978－)，男，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事混凝土结构与组合结构理论及其应用研究。