桩土结构相互作用及辅助墩对组合梁斜拉桥地震响应的影响

张世冀 贾少敏

(1.贵州省交通规划勘察设计院股份有限公司 贵阳 550001； 2.四川农业大学土木工程学院 成都 611830)

地震作用对我国桥梁特别是斜拉桥[1-2]造成了不可估量的损失。学者们对斜拉桥的抗震性能进行了大量研究，姜长宇等[3-4]建立某独塔混凝土斜拉桥的有辅助墩和无辅助墩模型，探究斜拉桥动力特性、主梁变形及受力的影响。雷春煦[5]分析了桩土相互作用和行波效应对某高低墩斜拉桥的地震响应。高大峰等[6-7]分别基于动力水和随机振动，分析了桩土相互作用对大跨度斜拉桥的地震响应，并认为斜拉桥在地震分析时有必要考虑桩土相互作用的影响。基于上述研究，本文以贵州省某斜拉桥为研究背景，分析桩土相互作用和辅助墩对斜拉桥地震响应的影响。

1 工程概述

本文所选工程背景为主跨560 m的双塔双索面组合梁斜拉桥，其桥型布置图见图1。

图1 桥型布置图(单位：m)

该桥桥宽27.5 m；引桥采用装配式40 m预应力混凝土T梁，桥宽24.5 m。主桥采用半漂浮体系，塔墩固结、塔梁分离，组合梁在索塔下横梁上设置竖向支承，辅助墩、交界墩与桥台上设置竖向支承。

2 有限元模型及工况确定

2.1 有限元模型

有、无辅助墩将在很大程度上影响着斜拉桥的受力情况，基于SAP2000建立该桥有辅助墩和无辅助墩的有限元模型，并考虑桩土结构相互作用(SSI作用)，分析不同土层特性对结构受力的影响。限于篇幅，此处未考虑辅助墩在不同位置时的结构受力影响。据桥址处土层特性可知，该桥辅助墩和主桥塔底土质相差不大，分布较均匀。而不同土层特性参数对桩土相互作用影响较大，进而可影响结构自振特性。为探究不同土层特性对该桥结构动力响应的影响，采用JTG 3363-2019《公路桥涵地基与基础设计规范》(以下简称《规范》)[8]规定的6种土特性，基于m法模拟SSI作用，并计算土弹簧刚度。有限元模型见图2。

图2 斜拉桥有限元模型

2.2 工况确定

为研究有、无辅助墩和SSI作用对斜拉桥静力稳定性、自振特性及地震动力响应的影响，首先分析有辅助墩和无辅助墩的静动力响应，然后再按照《规范》计算6种土层特性(软塑黏性土、可塑黏性土、半坚硬黏性土、硬塑黏性土、砂砾土、卵石)的桩土相互作用对斜拉桥静动力响应的影响，按表1设置计算工况。

表1 计算工况

2.3 自振特性

自振特性是结构动力分析的基础，此处给出3个工况和6种土层下前10阶自振频率，见图3。

图3 自振频率

由图3分析可知，有辅助墩无桩基的各阶自振频率最高，因为考虑SSI作用后，会降低结构刚度，且有辅助墩相对于无辅助墩而言，可提高结构刚度。因此，工况2即有辅助墩无桩基的各阶自振频率最高。

3 地震动的确定

为了给后续地震动力响应的分析做准备，此处从太平洋地震工程研究中心地震动数据库中选取了7条实测地震动，其参数见表2。

表2 实测地震动

4 响应分析

4.1 有、无辅助墩

4.1.1塔底弯矩

依据表2的7条实测地震动，按照表1设置的计算工况计算得②号和③号塔底弯矩响应见图4。图中“②号+(X+Z)”表示②号塔顶在纵向地震X和竖向地震Z作用下的弯矩响应值，其余类推。

图4 塔底弯矩

据图4分析可知：

1) 有辅助墩有桩基无土弹簧的塔底弯矩值小于无桩基和无辅助墩下的塔底弯矩值，而无桩基和无辅助墩的塔底弯矩值相差不大。

2) ②号塔底弯矩值大于③号塔底弯矩值，这是因为②号塔较高，塔底将会产生更大弯矩值。

3) 在横向+竖向地震作用下的塔底弯矩值略大于纵向+竖向地震下的塔底弯矩值，说明该桥受横向地震影响较大。

4.1.2斜拉索轴力

3个计算工况下的端斜拉索轴力见图5。

图5 端斜拉索轴力

其中“②号左+(X+Z)”表示②号桥塔左边端斜拉索在纵向地震X和竖向地震Y作用下的轴力。分析可知：在工况1下的端斜拉索轴力最大，在工况3下的端斜拉索轴力最小，而在工况2下的端斜拉索轴力介于两者之间。

4.2 土层特性参数

以《规范》中给出的6种土层研究桩土相互作用对斜拉桥的地震响应，采用m法计算桩土相互作用的土弹簧刚度。在前两节分析基础上，选择有辅助墩、半漂浮体系作为本节有限元基准模型，通过改变桩基土弹簧的刚度来模拟不同土层特性对斜拉桥地震响应的影响。

4.2.1位移响应

各关键点纵向、竖向和横向位移随土层特性的变化情况见图6和图7，分析可知：

图6 纵向和竖向位移

图7 横向位移

1) 塔顶纵向位移和跨中竖向位移随土层硬度增加而缓慢减小，主梁纵、横向位移和塔顶横向位移几乎不随土层硬度的增加而改变。

2) 在各个土层及地震下的横向位移要大于纵向位移，说明该桥横向刚度较小。

4.2.2塔底弯矩

6种土层和2种地震动作用下的塔墩底弯矩图见图8。由图8可知，塔墩底弯矩几乎不随土层硬度的增加而改变；但在横向地震作用下的弯矩值大于纵向地震作用下的弯矩值，这与位移计算结果保持一致。

图8 塔墩底弯矩

4.2.3端拉索轴力

端拉索轴力在6种土层和2种地震作用下的变化规律图见图9。

图9 端拉索轴力

由图9可知，端拉索轴力随着土层硬度的增加，呈缓慢减小的趋势；③号塔右边的端拉索轴力略大于②号塔左边的端拉索轴力；且在纵向地震下的端拉索轴力大于在横向地震下的端拉索轴力，这也与位移计算结果保持一致。

5 结语

本文探究了SSI作用(桩土结构相互作用)和辅助墩对斜拉桥地震响应的影响，主要结论如下。

1) 有辅助墩无桩基的各阶频率最高，因为考虑SSI作用后，会降低结构刚度，且有辅助墩相对于无辅助墩而言，可提高结构刚度。

2) 有辅助墩和考虑SSI作用可减小塔底弯矩，且在纵向+竖向地震下作用的斜拉索轴力大于横向+竖向地震作用下的斜拉索轴力。

3) 随着土层硬度的增加，位移响应、弯矩和端拉索轴力有缓慢减小的趋势。