考虑桩—土—结构作用下的大跨径悬索桥地震响应分析研究

杨宇+李庆达+浦丽+张晓杰

摘要：本文以主跨布置为320m+1196m+320m的某特大跨径悬索桥为例，采用有限元软件建模计算，通过设置弹簧单元模拟桩土作用，弹簧单元刚度采用m法计算，地震动输入取七组地震波地震响应的平均值，分析考虑桩-土-结构作用下的大跨径悬索桥地震响应。

Abstract： In this paper， a large span suspension bridge with 320m+1196m+320m as the main span is taken as an example. The finite element software is used for modeling and calculation. The spring element is used to simulate the pile and soil action. The spring element stiffness is calculated by the m method. The average value of seismic response of seven sets of seismic waves is used as the ground motion input. The seismic response of the long - span suspension bridge under the action of pile-soil-structure action is analyzed.

关键词：桩-土-结构作用；悬索桥；地震响应

Key words： pile-soil-structure action；suspension bridge；seismic response

中图分类号：U442.5+5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）20-0117-03

0 引言

云南省正值高速公路建设发展的高峰期，地处高原山区，路线走向不可避免地常跨峡谷。悬索桥作为目前跨越能力最大的结构形式，多被设计单位在路线跨越山谷时选用。目前，考虑桩-土-结构相互作用的理论分析方法主要有荷载传递法、弹性理论法、有限单元法、边界单元法等，或者将多种成熟方法进行耦合计算。桩土作用对结构地震响应的影响主要体现在改变结构的自振频率、阻尼及地震动输入等方面，目前大多数的研究者采用实体单元建立模型来考虑桩-土-结构作用，但不便于抗震设计计算。本文通过设置弹簧单元模拟桩土作用，其采用m法计算刚度，分析研究考虑桩-土-结构作用下的大跨径悬索桥地震响应。

1 工程背景

本文以某大跨径悬索桥为例，主跨布置为320m+1196m+320m，主塔采用门形框架结构，为普通钢筋混凝土结构，横梁为预应力结构，索塔基础采用32根D2.5m的钻孔灌注桩基础。主梁为流线型扁平钢箱梁，宽31.5m，高3m，纵向设置阻尼器于钢箱梁底部与横梁处。

2 建模策略

本文采用有限元软件建模，其主缆、吊索采用索单元进行模拟，主塔、横梁等均采用空间梁单元进行模拟，通过设置弹簧单元模拟桩土作用，其采用m法计算刚度，同时考虑引桥对主桥动力特性影响。由于桥梁下部结构在E2地震作用下会发生开裂或是损伤，本文通过下部结构的刚度折减20%考虑该类情况。

2.1 抗震设防目标的选取

结合该工程建设初期安评报告及专项研究结果给出的桥址区场地地震基本烈度Ⅷ度、地震动参数较大，以及考虑大跨径桥梁的重要性等因素，设防标准为E1作用下，基准年限100年超越概率10%，峰值加速度0.376g；E2作用下，基准年限100年超越概率4%，峰值加速度0.477g。

2.2 地震动参数

大桥场地土为II类场地土，根据该桥安评报告给出的东岸锚碇、东岸主塔、西岸主塔和西岸锚碇四处地震动参数，E1地震取东岸锚碇反应谱，E2地震取东岸主塔反应谱，通过取七组地震波地震响应的平均值，得到E1、E2作用下分析研究结构动力特性的反应谱如图2、图3所示。

2.3 桩-土-结构耦合作用

当桥梁自重及其所受荷载通过桩基对土体产生作用时，土体经压缩向下产生变形，同时桥梁桩基础受到来自土体侧面的摩阻力。地基的刚度和阻尼也会影响桥梁桩基和结构的受力特性，因此在桥梁的抗震分析计算中，为了更加符合实际情况，不得不全面考虑土体和结构的相互作用。

桩-土-结构相互作用计算的理论方法目前主要有：荷载传递法、弹性理论法、有限单元法、边界单元法等，或者将多种成熟方法进行耦合计算。常见的桩-土-结构相互作用计算多采用有限元模型，在桩基处设置弹簧单元模拟土体侧向刚度，同时为简化计算，通常忽略土体的质量和阻尼系数。

本文计算采用有限元软件通过在桩基础位置土体分层设置弹簧单元考虑桩土相互作用的影响，弹簧单元分纵横向设置，忽略土体质量及阻尼。桥梁樁基础处的土体弹簧刚度，根据土体分层利用m法进行计算。

m法假定桩土作用时线性的，不考虑桩土之间的摩阻力。土体对桩身的抗力表示为：

σ=cyx

式中，cy为深度为y的桩基侧面土体的地基系数，及cy=my，m为地基系数的比例系数。

3 地震响应分析研究

3.1 E1纵向地震作用的动力响应

图4～图7分别给出了在E1纵向地震作用时，桥梁结构考虑桩土作用及不考虑桩土下的主塔轴力、剪力、弯矩及位移的包络图。可以看出，是否考虑桩土作用，对其剪力、弯矩及位移的计算结果均有影响。

3.2 E2纵向地震作用的动力响应

图8～图10分别给出了在E2纵向地震作用时，桥梁结构考虑桩土作用及不考虑桩土下的主塔轴力、剪力、弯矩的包络图。可以看出，是否考虑桩土作用，对其轴力、剪力的计算结果影响较大，特别是在主塔横梁以下位置的剪力值。

4 结果分析

①在纵向地震作用下，东岸主塔轴力变化很小，剪力最大增大了11%，弯矩最大增大了16%；西岸主塔轴力变化很小，剪力最大增大了15%，弯矩最大增大16%。

②在横向地震作用下，东岸主塔轴力最大增大了5%，剪力最大增大了11%，弯矩最大增大18%；西岸主塔轴力最大增大了4%，剪力最大增大了11%，弯矩最大增大10%。

③相比之下，大跨度懸索桥在计算地震响应时，不可忽略桩-土-结构的相互作用。

参考文献：

[1]邓育林，彭天波，李建中，吉林，冯兆祥，阮静.大跨度三塔悬索桥动力特性及抗震性能研究[J].振动与冲击，2008（09）：105-110，186.

[2]张文明，葛耀君.三塔双主跨悬索桥动力特性精细化分析[J].中国公路学报，2014（02）：70-76.

[3]王浩，程怀宇，陶天友，邓稳平，李爱群.结构关键参数对三塔悬索桥动力特性的影响[J].振动.测试与诊断，2014（02）：261-267，396.

[4]丰硕，项贻强，谢旭，黄志义.自锚式悬索桥动力特性及结构参数影响规律研究[J].世界桥梁，2004（04）：50-53.

[5]刘春城，马桂兰，陈海波，胡海波.结构参数变化对自锚式悬索桥动力特性的影响[J].北华大学学报（自然科学版），2004（03）：273-278.

[6]张常明，田石柱，林元铮.桩-土-结构相互作用与自锚式悬索桥桥塔顺桥向破坏相关性研究[J].地震工程与工程振动，2015，（04）：139-144.

[7]贺星新，李爱群，李建慧，苏骥.土-桩-结构相互作用对独塔自锚式悬索桥地震响应的影响[J].东南大学学报（自然科学版），2014（01）：150-154.

[8]王浩，李爱群，韩晓林，李枝军.土-桩-结构相互作用对大跨悬索桥动力特性的影响研究[J].工程抗震与加固改造，2006（02）：32-35.

[9]张梦龙.高烈度地区悬索桥主塔的横梁结构形式对抗震性能影响的研究[D].重庆交通大学，2012.

[10]马赟，高文军，张玉坤.强震山区悬索桥减隔震装置研究[J].公路交通科技（应用技术版），2014（12）：214-217.