基于桩-土作用的悬索桥抗震性能研究

黎久辉

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400041）

1 工程概况

文章以某工程作为依托，主桥为独塔自锚式空间索面混凝土悬索桥，主桥桥跨布置为7.15m（北边跨牛腿）+108m（混凝土加劲梁副跨）+168m（混凝土加劲梁主跨）+40m（主跨协作跨）+7.15m（南边跨牛腿），主桥全长330.3m，主桥桥型布置如图1所示，有限元模型如图2所示。

图1 桥形布置图

图2 有限元模型

2 桩-土作用模拟

由于大多数桩基结构是由群桩构成的，桩数较多，桩侧土层成分复杂，因此，桩基础的地震反应分析一直是桥梁抗震研究的难点之一。桥梁抗震分析中，考虑土对桩基础的弹性约束多采用有限元模型，在模型中以弹簧模拟桩土的侧向刚度，忽略土的质量和阻尼影响，直接带桩计算，即整体分析方法；大跨度桥梁由于桩基础中桩的数量多，带桩计算耗时多，尤其是在处理非线性时程计算结果的时候，工作量大，因此多采用等代弹簧代替群桩作用，也就是在承台底设置弹簧，弹簧刚度可采用不同方法计算。

该桥计算采用有限元软件Midas Civil，通过在桩基础相应位置设置纵、横桥向弹簧的方法来考虑桩土相互作用的影响，模型中仅考虑土弹簧刚度，忽略阻尼和质量特性的影响，弹簧刚度根据土层的m值进行计算，计算出各桩基础的整体6自由度刚度，并考虑水平转动和水平力之间的耦合作用，等效为4个弹簧作用在承台底部。4个弹簧分别模拟顺桥向平动、横桥向平动及沿这两个反向的转动。承台底面的竖向及绕竖向转动的自由度假定为约束，因为从已有的研究可知，这两个方向刚度很大，近似于固结。

3 地震动参数选取

本次研究主要是针对大震情况下桥梁的地震反应特点进行，分析采用时程法。时程法分析时需要地震波，为便于比较，本次研究中采用人工地震波进行时程分析。人工地震波以超越概率50年2%的反应谱为目标谱，采用三角级数法合成五条与设计反应谱相符的地震波，如图3所示。

图3 设计反应谱

4 模态比较分析

考虑和不考虑动力特性时本桥前20阶频率的比较如表1所示。从结果可知，考虑桩土作用会使结构频率有减小，但前13阶频率减小幅度很小，14阶之后的频率变化很大。这是因为前面很多频率为主缆的局部振动频率，这些频率基本不受桩土相互作用的影响，而14阶之后的一些频率则是结构整体振动的频率，这些频率受桩土相互作用的影响比较大。地震响应受结构动力特性影响很大，该桥结构自振频率发生了较大变化，其地震响应有多大变化？下面以顺桥向地震响应为例，进行分析对比。计算时按不设阻尼器情况考虑。

5 顺桥向地震响应比较

利用人工拟合的5条地震波，通过时程分析，考虑桩土效应与不考虑桩土效应结果的比较如表2～表4所示。桥塔弯矩、剪力、位移响应最大值的比较如图4～图7所示。需要说明的是，这里的轴力结果包括了结构恒载引起的轴力。在桥塔剪力包络图中，桥塔上部剪力的突变是由于桥塔形状的变化引起的，因为在该位置，桥塔由两肢合为一肢。

从这些响应结果可以看出：

表1 考虑和不考虑桩土效应动力特性的频率比较 单位：Hz

表2 结构关键位置轴力(平均值)变化比较

表3 结构关键位置顺桥向剪力（平均值）变化比较

表4 结构关键位置弯矩（平均值）变化比较

图4 沿塔高轴力变化

图5 沿塔高剪力变化

图6 沿塔高弯矩变化

图7 沿塔高位移变化

（1）考虑桩土效应与不考虑桩土效应情况下，17#墩的响应变化与桥塔及其他桥墩明显不同，其墩底、墩顶的轴力、顺桥向弯矩、剪力都变化较小。造成这种现象的原因是与本桥构造特点有关，因为17#墩与主梁固结，主梁对17#墩顶形成了强大的约墩底约束的变化对其动力响应影响很小，固17#墩受其墩底约束条件改变的影响很小。

（2）各个构件的轴力普遍受影响较小，只有桥塔的轴力受影响稍大。因为这里分析主要考虑的是顺桥向地震作用，这里的轴力也主要是由恒载引起的。桥塔上由于主缆的影响，轴力发生了一定的变化。

（3）19#、20#墩在顺桥向水平地震作用下，只承担少量由于支座摩擦传递的水平力，顺桥向基本相当于单墩振动，因此当基础约束条件改变后，桥墩的自振频率会有很大变化，顺桥向的地震响应也随之发生了较大变化。桥塔地震响应也受桩土效应影响，但没有19#、20#墩的影响显著。

6 结束语

总体来说，该桥由于自振周期较长，结构相对较柔，墩底约束由刚性约束变化为弹性约束时，结构进一步变柔。然而柔性的增加有限，结构的动力特性减小也有限，因此，抗震设计控制构件的地震响应改变整体也相对较小。