高烈度地震區大跨度引橋結構的應用數值模擬分析

周鑫強，郭浩霖，覃 杰，陳良志

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230)

引言

在高樁碼頭抗震設計中，尤其在高烈度地震區，抗震結構一般為跨度不大的連續整體結構。該種結構整體剛度大，利用自身剛度抵抗地震荷載作用，位移小，但會造成樁基和上部結構的工程量大幅增長，工程造價明顯增加。印尼是個地震頻發的國家，較多的海灣環境優美，生長著一大片紅樹林，而在海灣里建設高樁碼頭，跨度小形成的較密樁基會破壞紅樹林生長環境，影響環境美觀。為解決上述造價和環保問題，本文提出了一種高烈度地震區的大跨度引橋結構，以印尼某碼頭工程為例，采用大型國際通用有限元軟件并運用參數化設計語言進行二次開發，建立三維有限元模型進行了數值模擬分析。

1 工程概況

印尼某碼頭工程擬建2 個卸煤泊位和約4km 引橋及引堤。

引橋結構采用大跨度樁基結構方案。大跨度樁基結構是以墩臺為中心，向左右各延伸3 跨排架組成的一個結構段。結構段總長約190 m，每跨跨距30.6 m，其中中心墩臺樁基為4 根Φ1 200 mm 鋼管樁，兩側排架樁基均為2 根Φ1 200 mm 鋼管樁，上部結構為跨度30.6 m 的預應力T 梁。

引橋標準結構段預應力T 梁與中心墩臺、兩側排架橫梁之間采用固接形式，詳見圖1。引橋接岸排架采用滑移支座，滑移支座為四氟滑板支座，釋放上部結構的水平位移，詳見圖2。

圖1 引橋標準段結構圖

圖2 引橋接岸段結構圖

根據地質勘察報告，工程場地復雜程度等級為二級（中等復雜場地），地基復雜程度等級為一級（復雜地基）。主要巖土層有：人工填土(Q4ml)；②淤泥；③中粗砂；④粘土；巖層等18 個亞層及3個次亞層。本工程淤泥、淤泥質土層承載力較低，壓縮性較大，厚度約15 m；中層中等～堅硬粘土～粉質粘土層平均層厚約30 m；巖層埋深較深，巖面平均在-56.0 m 高程以下。

工程場地短周期（T=0.2 s）反應譜加速度Ss為0.761 g，1S 周期反應譜加速度S1 為0.32 g。廠址50 年超越概率10 %的場地地表水平峰值加速度值為0.33 g，為8 度區。場地土類型為軟弱場地土，場地類別為III 類。場地為抗震不利地段。

2 引橋結構特點

考慮上部預應力T 梁溫度應力的釋放要求，大跨度引橋結構段長度取約190 m，以雙排樁抗震墩臺為中心，兩側對稱布置三榀單排樁排架，與T 梁形成一個整體結構段。在高烈度地震荷載作用下，整體結構統一協調受力；剛度較大的抗震墩臺設置于結構段中心，有效控制結構位移；結構部分進入塑性變形，但未達到破壞條件，較好適應地震作用特點，經濟合理。

引橋標準段T 梁與中心墩臺、兩側排架橫梁采用固接形式，提高結構抗震的整體性。引橋接岸排架橫梁上設滑移支座，釋放上部結構的轉動和水平位移自由度。滑移支座采用四氟滑板支座，使上部結構的水平位移不受滑移支座本身剪切變形量的限制，有效釋放地震能量，減小結構受力。

3 引橋結構抗震數值模擬分析

根據《水運工程抗震設計規范》[1]，對于重要的梁板式高樁碼頭，在高烈度地震區，除應按單質點考慮水平向總地震慣性力計算外，尚應采用振型分解反應譜法進行抗震分析。

振型分解反應譜法是用來計算多自由度體系地震作用的一種方法[2]。該法是利用單自由度體系的加速度設計反應譜和振型分解的原理，求解各階振型對應的等效地震作用，然后按照一定的組合原則對各階振型的地震作用效應進行組合，從而得到多自由度體系的地震作用效應。采用此方法可有效地模擬結構在地震工況下的受力情況。

3.1 單元選取

引橋墩臺采用梁單元和殼單元組合簡化模擬，樁基、橫梁和T 梁采用梁單元模擬，地層采用彈簧單元模擬，引橋上部重力荷載采用質量單元模擬，質量單元與梁單元之間采用剛性梁單元連接以模擬引橋上部重力荷載的作用高度。

3.2 邊界條件

本文運用M 法通過彈簧單元模擬樁基與地基土體之間的相互作用[3]；引橋結構段排架采用共節點的方式模擬T 梁與墩臺、橫梁固接，接岸排架通過梁端約束釋放命令[4]釋放T 梁端部縱橋向位移自由度和三個方向的轉動自由度，模擬滑移支座。

3.3 荷載組合

引橋結構的永久作用包括樁基、墩臺、橫梁、T 梁、管帶機、管架自重，可變作用包括管帶機活載、管架活載、流動機械荷載、人群荷載、風荷載、波浪力和溫度荷載等。

地震荷載通過振型分解反應譜法施加。振型反應譜分析中應包含足夠的振型，以確保結構在各主要運動方向都具有90 %的參與質量，采用完全平方根組合法（CQC）進行振型組合[5]。經試算，振型取10 階可滿足要求。地震反應譜采用《水運工程抗震設計規范》中的設計反應譜曲線。根據《Design of structures for earthquake resistance》[6]，將3 個方向的地震作用進行組合如下：

其中，EX為縱橋向地震作用，EY為橫橋向地震作用，EZ為豎向地震作用。

3.4 后處理

經分析，鋼管樁強度和穩定性驗算[7]的控制因素為彎矩。鋼管樁典型彎矩分布見圖3。

圖3 鋼管樁典型彎矩分布圖

由圖3 可知，鋼管樁彎矩的較大值出現在樁頂和泥面附近。

運用參數化設計語言在大型國際通用有限元軟件平臺上進行二次開發，分別提取樁頂、泥面附近一定范圍的彎矩最大值及對應軸力，在所有工況的所有樁中循環操作取最值并按規定格式寫入TXT 文本，相比采用窮舉法羅列所有節點內力值的方式，后處理的效率顯著提高。

3.5 引橋標準段模型數值分析

引橋標準段的有限元計算模型詳見圖4。

圖4 引橋結構段有限元計算模型

經計算分析，地震工況為控制工況。縱橋向地震工況下引橋標準段樁基的彎矩分布詳見圖5。

圖5 引橋標準段縱橋向地震工況樁基彎矩圖

鋼管樁截面抗震強度和穩定性驗算參照《水運工程抗震設計規范》中板樁碼頭鋼結構的計算模式，內力取為標準值并乘以綜合分項系數1.35，鋼材強度設計值除以抗震調整系數0.65。經驗算，引橋標準段的結構受力滿足規范要求。

3.6 引橋接岸段模型數值分析

為研究接岸排架的支座形式對引橋接岸段結構受力的影響，分別建立固接支座、鉸接支座、滑移支座三個模型進行對比分析。T 梁與墩臺、橫梁之間采用共節點的方式模擬固接支座；運用梁端約束釋放命令釋放T 梁端部三個方向的轉動自由度，模擬鉸接支座；在鉸接支座的基礎上，運用梁端約束釋放命令釋放T 梁端部縱橋向的平動自由度，模擬滑移支座。

經計算分析，三個模型的主要區別在于縱橋向地震激勵下樁基的彎矩和位移分布，詳見圖6～11和表1。

表1 引橋接岸段不同模型計算結果對比表

圖6 固接支座模型縱橋向地震工況樁基彎矩圖

圖7 鉸接支座模型縱橋向地震工況樁基彎矩圖

圖8 滑移支座模型縱橋向地震工況樁基彎矩圖

圖9 固接支座模型縱橋向地震工況樁基位移圖

圖10 鉸接支座模型縱橋向地震工況樁基位移圖

圖11 滑移支座模型縱橋向地震工況樁基位移圖

由圖表可知，滑移支座模型中各排架樁基的彎矩分布較均勻，固接支座、鉸接支座模型中彎矩主要集中在接岸排架的鋼管樁上，最大彎矩值遠大于滑移支座模型的最大彎矩值；滑移支座模型中引橋結構的整體水平位移顯著大于固接支座、鉸接支座模型。

經驗算，固接支座、鉸接支座模型鋼管樁的應力遠超容許應力，滑移支座模型鋼管樁的應力能滿足規范要求。經分析，由于接岸排架鋼管樁四周被岸坡的塊石包裹，結構剛度遠大于其他排架，此時若采用固接支座或鉸接支座，在縱橋向地震的激勵下，引橋結構段樁基的彎矩絕大部分分配到接岸排架的鋼管樁上。而采用滑移支座，則能通過重新調整各排架的剛度、釋放引橋結構段的水平位移以減小接岸排架鋼管樁的彎矩，進而實現整個結構段內樁基彎矩的均勻分配，達到了經濟合理的目的。

根據鋼管樁的彎矩分布圖，鋼管樁的彎矩最大值出現在樁頂，泥面附近的彎矩較大，泥面下一定范圍以下彎矩很小。因此應當加強樁頂處的樁芯混凝土配筋，并根據規范設置相應的抗震鋼筋[8]，確保樁頂節點在強震作用下不被破壞；鋼管樁可采取變壁厚的形式，上部壁厚大，下部壁厚小，壁厚變化點可根據彎矩分布圖并通過計算確定，以達到節省結構造價的目的。

4 結語

1）本文提出了一種高烈度地震區的大跨度引橋結構，能較好適應地震作用特點，經濟合理，環境友好，避免了密集樁基對環境產生的較大影響。

2）大跨度引橋結構段中心設剛度較大的雙排樁抗震墩臺，提高了結構的抗震能力；兩側排架橫梁和T 梁采用固接形式，增強了結構抗震的整體性。

3）引橋接岸處采用滑移支座代替固接支座或鉸接支座，實現了結構段內各排架剛度的均勻分配，充分發揮了每個排架的抗震能力，降低了工程造價，對類似工程項目具有參考意義。

4）本文運用參數化設計語言在大型國際通用有限元軟件平臺上進行二次開發，根據結構內力分布特點編程提取數據并處理，顯著提高了有限元模型的后處理效率。