基于樁-土作用的懸索橋抗震性能研究

黎久輝

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400041）

1 工程概況

文章以某工程作為依托，主橋為獨塔自錨式空間索面混凝土懸索橋，主橋橋跨布置為7.15m（北邊跨牛腿）+108m（混凝土加勁梁副跨）+168m（混凝土加勁梁主跨）+40m（主跨協作跨）+7.15m（南邊跨牛腿），主橋全長330.3m，主橋橋型布置如圖1所示，有限元模型如圖2所示。

圖1 橋形布置圖

圖2 有限元模型

2 樁-土作用模擬

由于大多數樁基結構是由群樁構成的，樁數較多，樁側土層成分復雜，因此，樁基礎的地震反應分析一直是橋梁抗震研究的難點之一。橋梁抗震分析中，考慮土對樁基礎的彈性約束多采用有限元模型，在模型中以彈簧模擬樁土的側向剛度，忽略土的質量和阻尼影響，直接帶樁計算，即整體分析方法；大跨度橋梁由于樁基礎中樁的數量多，帶樁計算耗時多，尤其是在處理非線性時程計算結果的時候，工作量大，因此多采用等代彈簧代替群樁作用，也就是在承臺底設置彈簧，彈簧剛度可采用不同方法計算。

該橋計算采用有限元軟件Midas Civil，通過在樁基礎相應位置設置縱、橫橋向彈簧的方法來考慮樁土相互作用的影響，模型中僅考慮土彈簧剛度，忽略阻尼和質量特性的影響，彈簧剛度根據土層的m值進行計算，計算出各樁基礎的整體6自由度剛度，并考慮水平轉動和水平力之間的耦合作用，等效為4個彈簧作用在承臺底部。4個彈簧分別模擬順橋向平動、橫橋向平動及沿這兩個反向的轉動。承臺底面的豎向及繞豎向轉動的自由度假定為約束，因為從已有的研究可知，這兩個方向剛度很大，近似于固結。

3 地震動參數選取

本次研究主要是針對大震情況下橋梁的地震反應特點進行，分析采用時程法。時程法分析時需要地震波，為便于比較，本次研究中采用人工地震波進行時程分析。人工地震波以超越概率50年2%的反應譜為目標譜，采用三角級數法合成五條與設計反應譜相符的地震波，如圖3所示。

圖3 設計反應譜

4 模態比較分析

考慮和不考慮動力特性時本橋前20階頻率的比較如表1所示。從結果可知，考慮樁土作用會使結構頻率有減小，但前13階頻率減小幅度很小，14階之后的頻率變化很大。這是因為前面很多頻率為主纜的局部振動頻率，這些頻率基本不受樁土相互作用的影響，而14階之后的一些頻率則是結構整體振動的頻率，這些頻率受樁土相互作用的影響比較大。地震響應受結構動力特性影響很大，該橋結構自振頻率發生了較大變化，其地震響應有多大變化？下面以順橋向地震響應為例，進行分析對比。計算時按不設阻尼器情況考慮。

5 順橋向地震響應比較

利用人工擬合的5條地震波，通過時程分析，考慮樁土效應與不考慮樁土效應結果的比較如表2～表4所示。橋塔彎矩、剪力、位移響應最大值的比較如圖4～圖7所示。需要說明的是，這里的軸力結果包括了結構恒載引起的軸力。在橋塔剪力包絡圖中，橋塔上部剪力的突變是由于橋塔形狀的變化引起的，因為在該位置，橋塔由兩肢合為一肢。

從這些響應結果可以看出：

表1 考慮和不考慮樁土效應動力特性的頻率比較 單位：Hz

表2 結構關鍵位置軸力(平均值)變化比較

表3 結構關鍵位置順橋向剪力（平均值）變化比較

表4 結構關鍵位置彎矩（平均值）變化比較

圖4 沿塔高軸力變化

圖5 沿塔高剪力變化

圖6 沿塔高彎矩變化

圖7 沿塔高位移變化

（1）考慮樁土效應與不考慮樁土效應情況下，17#墩的響應變化與橋塔及其他橋墩明顯不同，其墩底、墩頂的軸力、順橋向彎矩、剪力都變化較小。造成這種現象的原因是與本橋構造特點有關，因為17#墩與主梁固結，主梁對17#墩頂形成了強大的約墩底約束的變化對其動力響應影響很小，固17#墩受其墩底約束條件改變的影響很小。

（2）各個構件的軸力普遍受影響較小，只有橋塔的軸力受影響稍大。因為這里分析主要考慮的是順橋向地震作用，這里的軸力也主要是由恒載引起的。橋塔上由于主纜的影響，軸力發生了一定的變化。

（3）19#、20#墩在順橋向水平地震作用下，只承擔少量由于支座摩擦傳遞的水平力，順橋向基本相當于單墩振動，因此當基礎約束條件改變后，橋墩的自振頻率會有很大變化，順橋向的地震響應也隨之發生了較大變化。橋塔地震響應也受樁土效應影響，但沒有19#、20#墩的影響顯著。

6 結束語

總體來說，該橋由于自振周期較長，結構相對較柔，墩底約束由剛性約束變化為彈性約束時，結構進一步變柔。然而柔性的增加有限，結構的動力特性減小也有限，因此，抗震設計控制構件的地震響應改變整體也相對較小。