樁土結構相互作用及輔助墩對組合梁斜拉橋地震響應的影響

張世冀 賈少敏

(1.貴州省交通規劃勘察設計院股份有限公司 貴陽 550001； 2.四川農業大學土木工程學院 成都 611830)

地震作用對我國橋梁特別是斜拉橋[1-2]造成了不可估量的損失。學者們對斜拉橋的抗震性能進行了大量研究，姜長宇等[3-4]建立某獨塔混凝土斜拉橋的有輔助墩和無輔助墩模型，探究斜拉橋動力特性、主梁變形及受力的影響。雷春煦[5]分析了樁土相互作用和行波效應對某高低墩斜拉橋的地震響應。高大峰等[6-7]分別基于動力水和隨機振動，分析了樁土相互作用對大跨度斜拉橋的地震響應，并認為斜拉橋在地震分析時有必要考慮樁土相互作用的影響。基于上述研究，本文以貴州省某斜拉橋為研究背景，分析樁土相互作用和輔助墩對斜拉橋地震響應的影響。

1 工程概述

本文所選工程背景為主跨560 m的雙塔雙索面組合梁斜拉橋，其橋型布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖(單位：m)

該橋橋寬27.5 m；引橋采用裝配式40 m預應力混凝土T梁，橋寬24.5 m。主橋采用半漂浮體系，塔墩固結、塔梁分離，組合梁在索塔下橫梁上設置豎向支承，輔助墩、交界墩與橋臺上設置豎向支承。

2 有限元模型及工況確定

2.1 有限元模型

有、無輔助墩將在很大程度上影響著斜拉橋的受力情況，基于SAP2000建立該橋有輔助墩和無輔助墩的有限元模型，并考慮樁土結構相互作用(SSI作用)，分析不同土層特性對結構受力的影響。限于篇幅，此處未考慮輔助墩在不同位置時的結構受力影響。據橋址處土層特性可知，該橋輔助墩和主橋塔底土質相差不大，分布較均勻。而不同土層特性參數對樁土相互作用影響較大，進而可影響結構自振特性。為探究不同土層特性對該橋結構動力響應的影響，采用JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》(以下簡稱《規范》)[8]規定的6種土特性，基于m法模擬SSI作用，并計算土彈簧剛度。有限元模型見圖2。

圖2 斜拉橋有限元模型

2.2 工況確定

為研究有、無輔助墩和SSI作用對斜拉橋靜力穩定性、自振特性及地震動力響應的影響，首先分析有輔助墩和無輔助墩的靜動力響應，然后再按照《規范》計算6種土層特性(軟塑黏性土、可塑黏性土、半堅硬黏性土、硬塑黏性土、砂礫土、卵石)的樁土相互作用對斜拉橋靜動力響應的影響，按表1設置計算工況。

表1 計算工況

2.3 自振特性

自振特性是結構動力分析的基礎，此處給出3個工況和6種土層下前10階自振頻率，見圖3。

圖3 自振頻率

由圖3分析可知，有輔助墩無樁基的各階自振頻率最高，因為考慮SSI作用后，會降低結構剛度，且有輔助墩相對于無輔助墩而言，可提高結構剛度。因此，工況2即有輔助墩無樁基的各階自振頻率最高。

3 地震動的確定

為了給后續地震動力響應的分析做準備，此處從太平洋地震工程研究中心地震動數據庫中選取了7條實測地震動，其參數見表2。

表2 實測地震動

4 響應分析

4.1 有、無輔助墩

4.1.1塔底彎矩

依據表2的7條實測地震動，按照表1設置的計算工況計算得②號和③號塔底彎矩響應見圖4。圖中“②號+(X+Z)”表示②號塔頂在縱向地震X和豎向地震Z作用下的彎矩響應值，其余類推。

圖4 塔底彎矩

據圖4分析可知：

1) 有輔助墩有樁基無土彈簧的塔底彎矩值小于無樁基和無輔助墩下的塔底彎矩值，而無樁基和無輔助墩的塔底彎矩值相差不大。

2) ②號塔底彎矩值大于③號塔底彎矩值，這是因為②號塔較高，塔底將會產生更大彎矩值。

3) 在橫向+豎向地震作用下的塔底彎矩值略大于縱向+豎向地震下的塔底彎矩值，說明該橋受橫向地震影響較大。

4.1.2斜拉索軸力

3個計算工況下的端斜拉索軸力見圖5。

圖5 端斜拉索軸力

其中“②號左+(X+Z)”表示②號橋塔左邊端斜拉索在縱向地震X和豎向地震Y作用下的軸力。分析可知：在工況1下的端斜拉索軸力最大，在工況3下的端斜拉索軸力最小，而在工況2下的端斜拉索軸力介于兩者之間。

4.2 土層特性參數

以《規范》中給出的6種土層研究樁土相互作用對斜拉橋的地震響應，采用m法計算樁土相互作用的土彈簧剛度。在前兩節分析基礎上，選擇有輔助墩、半漂浮體系作為本節有限元基準模型，通過改變樁基土彈簧的剛度來模擬不同土層特性對斜拉橋地震響應的影響。

4.2.1位移響應

各關鍵點縱向、豎向和橫向位移隨土層特性的變化情況見圖6和圖7，分析可知：

圖6 縱向和豎向位移

圖7 橫向位移

1) 塔頂縱向位移和跨中豎向位移隨土層硬度增加而緩慢減小，主梁縱、橫向位移和塔頂橫向位移幾乎不隨土層硬度的增加而改變。

2) 在各個土層及地震下的橫向位移要大于縱向位移，說明該橋橫向剛度較小。

4.2.2塔底彎矩

6種土層和2種地震動作用下的塔墩底彎矩圖見圖8。由圖8可知，塔墩底彎矩幾乎不隨土層硬度的增加而改變；但在橫向地震作用下的彎矩值大于縱向地震作用下的彎矩值，這與位移計算結果保持一致。

圖8 塔墩底彎矩

4.2.3端拉索軸力

端拉索軸力在6種土層和2種地震作用下的變化規律圖見圖9。

圖9 端拉索軸力

由圖9可知，端拉索軸力隨著土層硬度的增加，呈緩慢減小的趨勢；③號塔右邊的端拉索軸力略大于②號塔左邊的端拉索軸力；且在縱向地震下的端拉索軸力大于在橫向地震下的端拉索軸力，這也與位移計算結果保持一致。

5 結語

本文探究了SSI作用(樁土結構相互作用)和輔助墩對斜拉橋地震響應的影響，主要結論如下。

1) 有輔助墩無樁基的各階頻率最高，因為考慮SSI作用后，會降低結構剛度，且有輔助墩相對于無輔助墩而言，可提高結構剛度。

2) 有輔助墩和考慮SSI作用可減小塔底彎矩，且在縱向+豎向地震下作用的斜拉索軸力大于橫向+豎向地震作用下的斜拉索軸力。

3) 隨著土層硬度的增加，位移響應、彎矩和端拉索軸力有緩慢減小的趨勢。