承臺結構形式變化對大跨斜拉橋抗震性能的影響分析

鄧育林 雷 凡 何雄君

（武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

結構體系問題是設計大跨斜拉橋首先要解決的問題，因此，不少學者針對大跨斜拉橋的合理抗震體系展開了研究，如葉愛君等［1－2］以蘇通大橋為例，對超大跨斜拉橋合理抗震體系展開了研究；徐秀麗等［3］、周大興［4］等分別對斜拉橋減震控制方法進行了研究；王志強［5］等對粘滯阻尼器參數對大跨斜拉橋抗震性能影響研究.

此外，對于大跨斜拉橋，土－結構動力相互作用是影響其抗震性能的另一個重要因素.有學者研究表明，對于大跨橋梁結構，由于基礎的質量較大，當上部結構和基礎的自振周期相近時，結構的地震反應會表現出顯著的共振效應［6］.本文結合一座大跨斜拉橋工程設計實例，采用sap2000有限元軟件建立考慮群樁－土動力相互作用的三維有限元計算模型，通過比較主塔基礎不同承臺形式下大跨斜拉橋的地震響應以及抗震能力／需求比，分析主塔基礎承臺形式的變化對大跨斜拉橋抗震性能的影響規律，為大跨斜拉橋抗震設計提供理論依據.

1 計算模型分析

1.1 工程概況

斜拉橋主橋跨徑布置為70m＋75m＋84m＋818m＋230m＋128m＝1 405m的6跨不對稱雙塔雙索面混合梁斜拉橋，主橋跨徑布置如圖1所示.其中，索塔采用H形塔，每個分離的塔柱分為上、中、下3段，上塔柱為錨索區塔柱，高116 m，中塔柱高72m，北塔下塔柱高49.04m，南塔下塔柱高36.54m，北索塔總高度為237.4m，南索塔總高度為224.54m.

圖1 橋梁總體布置圖（單位：m）

北塔基礎為高樁承臺深水基礎，采用啞鈴型承臺，由2個直徑26m的圓形和系梁組成，樁基礎43根樁直徑2.5m組成.南塔基礎為低樁承臺基礎，設計時提出了2個方案：（1）分離式承臺，由邊長為20.5m×20.50m×6.0m分離式承臺接32根長67m直徑2.5m的灌注樁，橫橋向寬70m；（2）啞鈴型承臺，采用截面為9.0m×4.5 m矩形系梁將兩邊承臺連接在一起，其余尺寸同方案1.南索塔基礎方案設計見圖2.

圖2 承臺平面圖

1.2 計算模型

地震反應模擬計算采用空間結構的有限單元方法，應用SAP2000有限元程序進行分析.利用空間梁單元模擬主梁、主塔與墩柱，用空間桿單元模擬拉索，考慮拉索垂度和恒載作用對結構剛度的影響（P－△效應）；主梁節點和斜拉索吊點以及橋塔與拉索錨固區用主從關系模擬.二期恒載采用分布質最模擬，承臺模擬為質點，并將承臺質量以集中質量的形式加在該質點上.為了模擬承臺的大剛度，將模擬承臺的質點與墩底、樁頂節點采用主從關系加以限制.采用“m”法模擬群樁－土動力相互作用，即在每根樁節點上施加縱向和橫向彈簧.

分析承臺形式改變對結構地震反應的影響時，針對南塔，建立了2個模型：模型1為啞鈴型承臺；模型2為分離式承臺.

2 地震動輸入

根據本橋工程特點與結構的重要性，該橋采用975年重現期（簡稱地震水平I）和2 500年重現期（簡稱地震水平II）2種概率水平的地震作用作為設防標準.地震安全性評價報告分別提供了該橋地震水平I和地震水平II下的三條人工地震加速度時程.本文分析時采用2 500年重現期（簡稱地震水平II）概率水平的地震加速度時程，如圖3所示.

圖3 加速度時程

3 結構動力特性的比較與分析

結構的動力特性是橋梁在地震荷載作用下動力響應的基本特征，地震動輸入和結構振動特性共同決定了結構的地震響應輸出.模型1和模型2的前5階振型周期及振型描述，見表1.

表1 自振周期及振型描述 s

由表1可見，2個模型前5階振型周期和振型特征相差不大，南塔采用分離式承臺時，由于基礎剛度略有下降，相應振型的振型周期略有增大.

4 結構的地震響應比較與分析

在結構有限元模型，輸入圖4的3條地震加速度時程，地震動輸入為一致激勵輸入，方向組合采用2種方式：（1）縱向＋豎向；（2）橫向＋豎向.豎向加速度時程曲線的形狀與水平向加速度時程曲線一致，加速度峰值為水平向加速度峰值的2／3.地震響應取3條地震波的平均值.

表2給出了在縱向＋豎向和在橫向＋豎向地震作用下，不同承臺結構形式下，結構關鍵節點的地震位移響應.

表2 結構關鍵節點位移響應最大值 m

由表2可見，在縱向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎采用分離式還是啞鈴型承臺，對其關鍵節點地震位移響應影響很小；而在橫向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎采用分離式還是啞鈴型承臺，對北塔頂最大橫向地震位移影響很小，但對南塔頂最大橫向地震位移有一定的影響，采用分離式承臺時結構橫向剛度有所減小，位移響應有所增大.

圖4給出了在縱向＋豎向地震作用下，南塔柱地震剪力和彎矩包絡；圖5給出了在縱向＋豎向地震作用下，南塔柱地震剪力和彎矩包絡.

圖4 南塔柱地震響應包絡（縱向＋豎向地震）

圖5 南塔柱地震響應包絡（橫向＋豎向地震）

從圖4可以看出，在縱向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎采用分離式還是啞鈴型承臺，對結構關鍵截面的地震響應影響很小；而在橫向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎采用分離式還是啞鈴型承臺，對北塔底地震響應影響不大，但對南塔底地震響應有明顯影響，南塔基礎承臺形式的變化對南塔柱地震響應的影響很小.

從圖5可以看出在橫向＋豎向地震作用下，南塔基礎承臺形式的變化對南塔柱地震響應的影響較為明顯，其中對下塔柱的影響更為顯著；當南塔基礎采用分離式承臺時，下塔柱地震響應明顯小于采用啞鈴型承臺，盡管中、上塔柱截面的地震響應有增有減，但總體來說，分離式承臺對塔柱結構抗震更為有利.

為進一步分析承臺形式改變對南塔結構地震響應的影響，表3給出了在縱向＋豎向和在橫向＋豎向地震作用下，承臺結構形式對結構關鍵截面的地震響應的影響.

表3 結構關鍵截面的內力響應（橫向＋豎向地震）

由表3可見，當南塔基礎采用啞鈴型承臺時，南塔底截面最大地震剪力和彎矩分別減小了12%和49%.因此，采用分離式承臺時，南塔塔底地震響應明顯減小，對橋塔結構抗震有利.

以上分析表明，主塔基礎承臺形式的變化對結構地震響應的影響具有局部性，只對其對應主塔結構的地震響應有較大影響，而對主梁、另一主塔結構的地震響應影響很小.因此，以下僅探討南塔基礎承臺形式的變化對其群樁基礎地震響應的影響規律.

表4給出了在縱向＋豎向和在橫向＋豎向地震作用下，承臺結構形式的變化對最不利單樁最大地震響應的影響.

從表4中看出，在縱向＋豎向地震作用下，無論南塔基礎采用分離式還是啞鈴型承臺，對最不利單樁最大地震響應影響較小；而在橫向＋豎向地震作用下，對最不利單樁最大地震響應有明顯影響，當南塔基礎采用啞鈴型承臺時，南塔最不利單樁最大地震軸力增大了30%，而最大地震彎矩減小了33%.

表4 南塔基礎單樁最大地震響應

從上分析表明，承臺形式的改變對其對應樁基礎橫向地震響應有較大影響，但對樁基礎不同內力分量的影響趨勢不同，由于樁基礎的抗震性能與其所受的動軸力與彎矩均密切相關，因此，應綜合考慮對動軸力與彎矩的影響，才能評判哪種承臺形式對樁基礎的抗震性能有利.

表5列出了在橫向＋豎向地震作用下，南塔基礎最不利單樁最大地震彎矩需求、抗彎能力以及能力／需求比.

表5 南塔樁基能力／需求比

由表5可見，在橫向＋豎向地震作用下，當南塔基礎采用分離式承臺時，最不利單樁的抗震能力／需求比更大，即采用啞鈴型承臺對提高單樁抗震性能更為有利.

綜上，主塔基礎承臺形式采用分離式承臺時對主塔結構的抗震性能有利，而采用啞鈴型承臺時對主塔基礎的抗震性能有利，因此，應綜合考慮并予以選擇承臺形式.

5 結 論

1）主塔基礎承臺形式的變化對結構抗震性能的影響具有局部性，只對其對應主塔結構及樁基礎的地震響應可能有較大影響，而對主梁、另一主塔結構及其基礎的地震響應影響很小.

2）主塔基礎承臺形式的變化對結構縱向地震響應的影響不大，即無論是采用分離式承臺還是啞鈴型承臺，主塔結構及基礎的地震響應相差不大.

3）主塔基礎承臺形式的變化對主塔結構橫向地震響應的影響較大，特別是下塔柱的地震響應影響明顯；采用分離式承臺時，塔底地震響應明顯小于啞鈴型承臺，因此，從提高主塔結構抗震性能的角度看優選分離式承臺.

4）主塔基礎承臺形式的變化對其樁基礎橫向地震響應影響較大；采用啞鈴型承臺時，抗震能力需求比明顯要大于分離式承臺，因此，從提高主塔基礎抗震性能的角度看優選啞鈴型承臺.

［1］葉愛君，胡世德，范立礎.超大跨度斜拉橋的地震位移控制［J］.土木工程學報，2004，37（12）：38－43.

［2］葉愛君，范立礎.附加阻尼器對超大跨度斜拉橋的減震效果［J］.同濟大學學報：自然科學版，2006，34（7）：859－863.

［3］徐秀麗，劉偉慶，李龍安，等.斜拉橋結構減震設計優化研究［J］.地震工程與工程振動，2006，26（2）：119－124.

［4］周大興，閆維明，陳彥江，等.千米級斜拉橋的減震控制［J］.公路交通科技，2011，28（11）：71－75.

［5］王志強，胡世德，范立礎.東海大橋粘滯阻尼器參數研究［J］.中國公路學報，2005，18（3）：37－42.

［6］葉愛君，劉偉岸，王斌斌.高樁承臺基礎與橋梁結構的動力相互作用［J］.同濟大學學報，2007，35（9）：1163－1168.