地震荷载下桩土作用对高墩刚构桥的影响

杨光明

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

我国面积广襄，大大小小的桥梁不计其数，其中绝大多数是中小跨度的桥梁。但随着我国的综合实力不断增加， 新建的桥梁大多以大中型为主。大跨度桥梁工程正在中国快速发展，跨度越来越大，桥形越来越灵活。其中，连续刚构桥以其内力分布合理、跨越能力强、外形优美等特点，在交通工程建设中逐渐成为一种被广泛应用的桥梁结构形式。对该类梁桥进行地震响应分析，并进行抗震性能验算，从而采取适当的构造措施减小地震影响，将对确保城市生命线系统以及高速公路网的地震安全性、减小桥梁震害和生命财产损失、促进区域社会和经济发展起到重要作用，具有非常显著的社会效益和经济效益[1，2]。因此，本文以实际工程为背景，通过采用有限元软件分析，研究高墩刚构桥的抗震性能，以期对桥梁结构设计起到一定的借鉴作用。

1 实例分析

本文分析基于四川省某跨河大桥，如图1所示。该桥为高墩混凝土连续刚构，跨径为(62+116+62) m，主梁采用预应力混凝土变截面现浇箱梁，单箱双室，整幅布置，外腹板采用直腹板形式，箱梁顶板宽度为20.5 m，采用C50混凝土。箱梁梁高和底板厚度均采用二次抛物线变化。主墩采用矩形等截面空心墩，1号主墩高67 m，2号主墩高69.5 m。过渡墩采用变截面矩形空心墩，横向分离式双墩，0号墩高58.5 m，3号墩高73.5 m，墩顶根据两侧引桥梁高的不同，设置L盖梁。混凝土技术标准应符合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)和《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)的规定。

图1 桥梁总体布置图

2 有限元模型

本文采用有限元软件SAP2000进行建模分析[3]，如图2所示。

图2 SAP2000有限元模型

上部结构采用能反映质量分布和刚度特征的简化脊梁模型(梁单元)，上部结构的重力和地震惯性力通过桥墩传递给地基；同样，地震动的输入又通过桥墩传递给上部结构。所以桥墩单元的划分合理性决定了堆积质量的分布，从而影响着刚构桥的地震惯性力分布[4，5]。支座采用Plastic Wen单元来模拟滑移摩擦效应[6]。为了研究地震荷载作用下桩土相互作用对该刚构桥的影响，模型的边界条件分别为：基础采用固结形式(以下简称固结模型)和6×6土弹簧模型(以下简称土弹簧模型)。

3 力学分析

3.1 动力特性分析

为了了解结构的动力特性，采用Ritz向量法分析了两种模型的20阶振型，表1仅列出前10阶自振周期。

表1 高墩刚构桥前10阶自振周期

从表1可以看出，土弹簧模型和固结模型计算得出的自振周期不同，考虑桩土作用作用后，结构的自振周期有所增大，但自振振型形状基本相同，没有明显差异。可以得出真实的结构自振周期要比固结模型计算得到的自振周期大，桩土作用对高墩连续刚构的自振周期有较大的影响。

3.2 不同地震波下的时程分析

本文选取2条实际地震动加速度记录EI-Centro波、天津波以及1条实际的人工波进行结构的地震反应分析。为了分析对比，通过线性缩放法将3条地震动的水平峰值加速度调整为0.1g，再通过Seismo Match软件进行滤波，基线修正。地震动的输入方向沿着顺桥向X向和横桥向Y向分别输入。通过计算求得两种模型的反应结果。

连续刚构桥桥墩的最大内力响应一般在墩底或墩顶，由于篇幅有限，仅列出1#桥墩在地震作用下弯矩。三种地震波输入下，两个模型中1#桥墩的弯矩包络图如图3、图4所示，1#桥墩的墩顶位移见表2。

图3 1#桥墩纵桥向弯矩

图4 1#桥墩横桥向弯矩

表2 1#桥墩墩顶位移

分析可以得到以下结论：

(1)不同地震动作用对同一模型产生的影响不同。顺桥向地震作用下，桥墩的弯矩沿墩顶到墩底呈先减小后增大的趋势，最大弯矩发生在墩底截面且墩顶也承受较大的弯矩。横桥向地震作用下，桥墩的弯矩沿墩顶到墩底呈一直增大的趋势，最大弯矩发生在墩底截面，因此在抗震设计中需要特别重视该类桥梁墩底和墩顶截面的设计。

(2)从1#桥墩的弯矩分布图以及墩顶的位移可以看出，在不同地震波作用下，土弹簧模型中桥墩的内力响应小于固结模型，这是因为考虑桩土作用后，使得结构变柔，桥墩内力响应变小，位移响应明显增大。

4 结束语

地震是桥梁破坏的主要原因之一，通常会造成巨大的损失。本文以大跨度高墩连续刚构桥为工程背景，分别建立了考虑和不考虑桩土作用的两种模型，分析对比了两种模型在三种地震动作用下的结构反应。无论地震波是横桥向输入还是纵桥向输入，考虑桩土作用都会使得桥墩墩顶位移增大，桥墩截面弯矩减小，说明是否考虑桩土作用会对桥梁结构内力产生很大影响，应引起故设计人员高度重视。