桩-土作用对大跨径斜拉桥非一致激励响应的影响研究

栾守领，袁 健

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

桩-土作用对大跨径斜拉桥非一致激励响应的影响研究

栾守领，袁 健

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

以陕西某待建无辅助墩大跨径叠合梁斜拉桥为例，建立Midas/Civil 模型，计算了该桥的动力特性，以有无桩-土相互作用为变量对该桥梁在非一致地震激励下的响应进行研究分析。结果表明：考虑桩-土相互作用的桥梁的自振周期增大，振型特征不变，桥梁关键部位的位移响应减小，主梁内力响应减小，而桥塔底部剪力和弯矩显著增大。

斜拉桥；无辅助墩；非一致激励；桩-土相互作用；地震响应

斜拉桥由于其跨度大，梁体尺寸小以及造型美观等优点，越来越多应用于中国桥梁建设中[1]。但是大跨径叠合梁斜拉桥的地震响应分析研究还存在许多问题，比如行波效应的影响、桩-土-结构相互作用的影响等。当前对桥梁地震响应的研究已经开始了由一致激励向非一致激励的转变，但是在对大跨径桥梁进行非一致激励的过程中，由于桩基础的长度有差异，桩基础所处的土层不一致等原因，导致忽略桩-土-结构相互作用时对桥梁进行的非一致激励与实际情况有较大差异[2]。

本文以陕西某待建大跨径叠合梁斜拉桥为例，利用有限元软件Mida/Civil建立三维有限元模型，进行桩-土作用对大跨径叠合梁斜拉桥非一致激励响应的影响研究。

1 计算模型

该大跨径叠合梁斜拉桥位于我国华北地震区的汾渭地震带附近，桥梁抗震设防类别A 类，抗震措施等级为8级。主桥为跨径(245+565+245)m的三跨双索面钢-混叠合梁，主梁断面形式为双工字型钢梁+混凝土桥面板，纵向为半漂浮体系。全桥共92对斜拉索，索塔采用“H”型，钢筋混凝土结构，设置上、下两道横梁，塔柱分为上、中、下三部分，全桥没有设置辅助墩。斜拉索扇形布置，梁上索距为12 m、8 m、4.5 m共三种，塔上索距为2.5～3.5 m。该桥的计算模型如图1所示。10号墩桩长39 m，土层自上而下依次为细沙和卵石，11号塔柱桩长65 m，土层自上而下依次为细沙、粗砂、卵石、中砂、卵石，12号塔柱桩长58 m，土层自上而下依次为细沙、卵石、飘石、卵石，13号墩桩长50 m，土层自上而下依次为砾沙、卵石、粗砂、卵石。工点处地震动峰值加速度为0.161g，相当于地震基本烈度7度，动反应谱特征周期为0.46 s。

图1 桥梁计算模型

对主梁、小纵梁、横梁、塔柱、辅助墩和桩基础采用梁单元模拟，承台采用空间单元模拟，斜拉索采用受拉杆单元模拟，然后将结构类型转化为3-D，并将自重转化为质量[3]。以实际工程为模型施加压重、二期荷载和斜拉索的初拉力，并将荷载转化为质量。边界条件的选取：桩底为固定端约束，按照实际工程，索塔处主梁设置横向抗风支座和竖向支座，辅助墩上方主梁设置竖向支座。考虑桩-土作用时，采用“m法”确定土弹簧的刚度，从而模拟桩-土相互作用[4]。根据土的类别、土层厚度、桩的直径、桩长、混凝土等级进行计算，最终得到地基土水平抗力系数，见表1。

表1 地基土水平抗力比例系数

地基土水平抗力系数的比例系数计算原理[5]：

(1)

式中：m—桩埋深范围内地基土的水平抗力系数的比例系数；

mi—第i层土的地基比例系数；

hi—桩基础在第i层土的入土深度；

hm—桩长。

地基土水平抗力系数计算[5]：

Cm=mh

(2)

式中：Cm—m深度处地基土的水平抗力系数；

h—地基土自地面以下的深度；

地基土竖向抗力系数计算[5]：

Cn=m0h

(3)

式中：m0—桩地面地基土竖向抗力系数的比例系数，近似取m0=m；

Cn—n深度处地基土的竖向抗力系数；

h—地基土自地面以下的深度,当h小于10 m时，按10 m计算。

本文对该桥梁结构进行了模态分析，采用完整二次项组合法(CQC法)得到了结构的前280阶自振频率和振型特征，在273阶振型时，考虑桩-土作用的计算模型在X、Y、Z方向的振型参与质量完全达到90%以上，其在X、Y、Z三个方向上的振型参与质量分别为90.28%、93.65%、98.20%；而无桩-土作用模型的第273阶振型在X、Y、Z三个方向上的振型参与质量分别为94.3%、96.21%、98.51%。计算结果表明，桩-土相互作用下，该桥的自振频率降低，但对振型特征无影响。此外，该桥梁的前10阶振型均没有表现出明显的耦合现象，说明该桥梁某方向的内力和位移响应主要受该方向地震波的影响，而对其他方向地震波的响应较小。

2 地震波的选取和输入

地震加速度时程曲线的频谱特性、有效峰值和持续时间需要与该桥梁所处位置的抗震要求相适应[6]。计算得到设计地震加速度时程曲线最大值(PGA)为3.931 76 m/s2，则其加速度峰值调整系数为1.124 12。通过设置实录地震波的加速度峰值调整系数，选取调整后特征周期与设计地震波特征周期相近的实录地震波[7]。对Midas/Civil 中提供的53条实录地震波的特征周期进行计算后，最终选择修正后的Taft波(1 952，339 Deg)、Taft波(1 952，69 Deg)、Taft波(1 952，vertical)分别作为X方向、Y方向和Z方向输入的地震波。

设计地震加速度时程曲线最大值计算原理为：

PGA=CiCsCdA

(4)

式中：PGA—设计地震加速度时程曲线最大值；

Ci—重要性系数；

Cs—场地系数；

Cd—阻尼调整系数；

A—地震动加速度峰值。

实录地震波特征周期计算原理为：

(5)

式中：Tg—特征周期；

EPV—有效峰值速度；

EPA—有效峰值加速度。

地震对桥梁的影响是地震波作用于基础上，通过基础传递至桥梁上部结构，从而使桥梁产生振动[8]。经典结构动力学在桥梁动力计算中认为桥梁固结于地面，而地面的位移为零，从而将地震动问题转化为桥梁结构的时变加速度作用问题，最后通过建立结构动力平衡方程求解[9]。但在实际工程中，尤其对于大跨径多墩桥梁来说，这种假定是不合适的。考虑到地震波传播过程中在时间和空间上的变化，在对大跨径斜拉桥进行激励时，应对地震波到达各支撑点的时间进行计算，并考虑土体对地震波的削弱和反射叠加等因素造成的到达支撑点处地震波峰值加速度的差异[10]。本文假定地震波的传播速度为370 m/s，对地震波到达支撑点处的时间和峰值应进行计算和调整。地震波到达#10墩、#11桥塔、#12桥塔和#13墩的时间分别为0、0.66 s、2.18 s、2.84 s。各支撑点在X、Y、Z方向的修正系数见表2。

表2 地震加速度修正系数

表3给出了该大跨径叠合梁斜拉桥部分关键点处的最大位移响应计算值，表4为部分关键点的内力响应计算值。

表3 关键部位位移响应 mm

从表3可以看出：在桩-土作用的影响下，桥梁在部分关键部位的位移响应与不考虑桩-土作用时的位移响应有较大差距。与不考虑桩-土作用的位移响应相比，桥梁关键部位的位移变化量较小，变化幅度较稳定，主要是解除桥梁在地面的固结后，桥梁的边界条件由刚性转化成柔性，地震动的作用由土体和桥梁共同承担。

表4 关键部位内力响应

由表4可知：不考虑桩-土作用时，主梁的内力响应和塔底的轴力分别为考虑桩-土作用情况的1.68倍、1.48倍、1.24倍和4.02倍。但在考虑桩-土作用时，桥塔底部的最大剪力和最大弯矩分别是不考虑桩-土作用情况下的1.4倍和2.9倍。

3 结语

对陕西某待建无辅助墩大跨径叠合梁斜拉桥进行非一致激励响应分析，分析中考虑桩-土相互作用对桥梁非一致激励响应的影响，得出以下结论：

(1)桥梁在桩-土作用影响下，自振周期会增大；

(2)考虑桩-土作用时，叠合梁斜拉桥梁关键部位的位移响应较小，且表现出明显的对称性；

(3)在桩-土作用影响下，叠合梁斜拉桥主梁内力显著减小，下塔柱的剪力和弯矩明显增大，轴力明显减小。

由于在本文中提出的两种模拟方式的结果差距较为明显，为了更真实地模拟大跨径叠合梁斜拉桥在实际中的地震响应，优化和加强抗震措施，应充分考虑桩-土相互作用对无辅助墩叠合梁斜拉桥非一致地震激励下响应的影响。

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Influencesofpile-soilinteractiononlong-spancable-stayedbridgewithoutauxiliarypierundernon-uniformexcitation

LUAN Shou-ling, YUAN Jian

(SchoolofHighway,Chang'anUniversity,Xi'an710064,China)

In this paper, a midas/Civil model is established for a long span composite girder cable-stayed bridge with no auxiliary pier in Shaanxi Province, and the dynamic characteristics of the bridge are calculated, and the response of the bridge under non uniform earthquake excitation is studied and analyzed with the help of pile-soil interaction as variable. The results show that the self vibration period of the bridge with pile-soil interaction is increased, the modal characteristics are unchanged, the displacement response of the key parts of the bridge is reduced, the main beam internal force response is reduced, and the shear and bending moments in the bottom of the bridge tower are significantly increased.

cable-stayed bridge; no auxiliary pier; non-uniform excitation; pile-soil interaction；seismic response

2017-08-10

陕西省交通运输厅科技计划项目(17-15k)

栾守领(1992—)，男，山东潍坊人，硕士研究生。

1674-7046(2017)05-0008-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.002

U442

A