桩土相互作用对大跨度桥梁抗震的影响

曹翠萍

1 桩—土—结构相互作用对结构地震反应的影响

地震是一种由于地壳能量释放而引发地表震动的强烈运动。桩—土—结构动力相互作用往往使结构的动力特性、阻尼和地震反应发生一定改变，因此进行桩基大跨度桥梁的地震反应分析时，应考虑桩—土—结构的相互作用。为确定桩—土—结构相互作用对结构地震反应的影响，特别是对大跨度桥梁结构的影响，本文以我公司施工完成的黑冲沟大桥为模型，采用反应谱法和弹性时程分析方法对该桥在两种工况下的地震反应进行了分析和比较。

2 黑冲沟大桥工程概况

黑冲沟大桥为云南蒙新高速公路上的大型桥梁，位于红河州蒙自县蛮耗镇境内，桥梁孔径布置为(98+180+98)m预应力单箱单室连续刚构，两侧为30 m简支 T梁，全长411.8 m。该桥主梁采用单箱单室、三向预应力混凝土箱形断面。箱梁根部高15.0 m，跨中及边跨15.5 m直线段高4.2 m，采用1.5次抛物线变化，箱底宽13.5 m，两侧悬臂长5.5 m，全宽 24 m。主墩采用由两片薄壁组成的柔性墩，横桥向宽13.5 m，纵桥向厚2.7 m，两薄壁的中心距为10.3 m;基础由16根桩径为2.5 m群桩组成，桩底嵌入弱风化层3倍桩径。两岸交界墩采用薄壁空心墩，空心墩纵桥向宽5 m，横桥全宽 17.5 m，圆端头，分两室，薄壁厚度80 cm;两岸承台尺寸相同，高 4 m，平面外形尺寸9.0 m×21.0 m，四角倒圆。桩基础由8根桩径2.0 m群桩组成，桩底嵌入弱风化层3倍桩径。

3 黑冲沟大桥桥址输入地震波的选择

本文是根据桥址处具体的场地条件，在已有的强震记录中选择了4条与桥址场地条件相符的地震波，即EI Centro地震波(2条180°方向与270°方向)、Taft地震波(2 条 69°方向与 169°方向)。这4条地震波的主要周期在0.3 s～0.55 s之间，分别适用于中硬和中软的场地，列出其中2条加速度波形如图1，图2所示。

在计算时分别对这两个地震波峰值加速度进行了调整，其调整系数分别为:EI Centro 波，α′(t)=0.476 3α(t);Taft 波 ，α′(t)=1.091 8α(t)。

4 桥梁结构的有限元模型

由于地震发生的位置的随机性，因而地震反应分析的计算模式均采用空间有限元分析模式。连续刚构的主梁、桥墩以及承台和桩基均采用梁单元;主梁与桥墩之间的连接采用刚性单元;支座采用主从单元、地基对桩基的作用采用弹簧单元模拟。

为考虑桩—土的相互作用，建立了两个计算模型:模型A与模型B，其中模型A未考虑桩—土的相互作用，模型B考虑了桩—土的相互作用。

表1 工况1与工况2对比下各墩及主梁各截面内力变化表(一)

表2 工况1与工况2对比下各墩墩顶及主梁各截面位移变化表(一)

5 分析工况

为了分别考虑桩—土—结构相互作用对分析结果的影响，本文选取了两种工况对结构进行了分析计算，分析工况为:工况1，不考虑桩—土相互作用，地震输入模式纵(1.0)+横(1.0);工况2，考虑桩—土相互作用，地震输入模式纵(1.0)+横(1.0)。

6 计算结果

1)地震反应谱法分析结果见表1，表2。2)弹性时程法分析结果见表3，表4。

表3 工况1与工况2对比下各墩及主梁各截面内力变化表(二)

表4 工况1与工况2对比下各墩墩顶及主梁各截面位移变化表(二)

7 结语

从表1和表3可以看出，边墩(9，12号墩)的最大轴力有所增大，而弯矩却有所降低;相比而言，中墩(10，11号墩)的最大轴力、最大弯矩却有增有减，无明显规律。对主梁各截面而言，最大轴力有增有减，且增减幅度均不大;最大面内弯矩均有所增加，最大增幅达45%;从上述数据分析可以看出:

1)桩土相互作用对各墩的轴力有较大影响，且对边墩的弯矩也有影响，而对中墩弯矩影响不大，其趋势是增大边墩的轴力，减小中墩的轴力及边墩的弯矩。2)同时，桩土相互作用对主梁的内力亦有影响，其趋势是增大面内弯矩，且增幅较大，在抗震设计时应提高主梁截面的承载能力。

从表2和表4可以看出，各墩及主梁各截面最大位移均有所增加;从各增量的绝对值来看，两水平方向的增量相差不大且都比竖向增量大得多。其中，12号墩的两水平方向的位移增加最大，这是因为12号墩桩长最长且桩周土质较差，土弹簧的刚度较小，从而造成12号墩在工况2下的整体刚度比其在工况1的刚度小得多，进而造成其水平位移增量很大，其结果是和计算模型相符合的。

由上述分析可见，桩土相互作用对结构的水平位移影响是很大的，其影响程度随桩基刚度及土弹簧刚度的增大而减小，桩基刚度愈大，桩周土质愈好，结构的水平位移增量就愈小。因此，对于建于软弱土层上的桥梁结构，应采用相应的支挡防护措施，防止桥梁因水平位移过大而引起的梁体脱落事故发生。同时施工时也应重点加强脆弱部位或应力最大部位的施工质量控制，防止地震中桥梁从这些部位出现解体坍塌。

[1] 刘红涛，高 军.桥梁破坏状态震害预测分析[J].山西建筑 ，2008 ，34(11):304-305