(陜西省土地工程建設集團渭南分公司 陜西 西安 710075)

引言

當前橋梁下部結構普遍采用樁基礎，當?shù)卣鸢l(fā)生時樁基礎與周圍的土會發(fā)生一定的相互作用，大量抗震研究資料表明，樁土相互作用會大大影響結構的地震響應結果，忽略樁土相互作用的分析結果并不一定是偏安全的。樁土相互作用對結構抗震的影響不僅與土的剛度有關，而且還和橋梁結構本身的質量和剛度有關[1]。樁土相互作用的效應主要分為兩部分，首先是土體對樁基的作用改變了上部結構本身固有的動力特性和結構阻尼，其次是樁基對土體的作用改變了地基振動的構成頻譜，增強了接近結構自振頻率的頻譜分量[2-5]。

中小跨徑橋梁由于其裝配化施工速度的優(yōu)越性在橋梁工程建設中一直處于絕對的優(yōu)勢地位。通常情況下，對于中小跨徑橋梁的抗震設計研究，在理想較堅硬的基礎條件下橋梁建模時墩底一般選用固結的邊界條件[6]；當考慮場地的樁土相互作用時，建模分析時一般采用“m”法[7]。本文擬采用上述兩種建模方式對一座中小跨徑簡支梁橋進行建模，分析兩種建模方式對結構地震響應的影響。

一、橋梁簡介

本文以陜西省渭南市華州大道項目的遇仙河橋為例進行建模分析，由于陜西華陰地區(qū)歷史上曾經發(fā)生過震級達到8.25級的大地震，因此對于本橋進行抗震設計研究是非常有必要的。遇仙河橋設計為3-20m簡支小箱梁橋，全寬31m，上部結構采用20m標準跨徑的簡支小箱梁橋，箱梁預制高度為120cm，橋墩高度8m，橋墩直徑1.5m，樁基礎直徑1.8m，平均樁長35m，橋梁支座采用板式橡膠支座。

圖1 簡支梁橋立面圖

二、場地作用

根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》[8]并結合本橋設計圖紙說明，可以確定本橋屬于B類橋梁，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[9]，可以確定本橋所處場地分布特征周期為0.4s，場地類別為Ⅱ類，峰值加速度0.30g，抗震設防烈度為8度，同時按照我國現(xiàn)行的抗震設計細則取阻尼比0.05作為結構的基準阻尼比[10]。本文擬采用E1地震作用等級和E2地震作用等級進行抗震分析研究。確定上述參數(shù)之后根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》[8]可以得到E1地震作用下水平加速度反應譜峰值為Smax=0.29g，E2地震作用下水平加速度反應譜峰值為Smax=0.88g，繼而可以繪制設計地震作用水平加速度反應譜如下圖所示。

圖2 水平加速度反應譜(E1和E2)

三、模型建立

建模時采用Midas civil有限元分析軟件建立結構模型，用彈性連接的邊界條件模擬橋梁支座，樁土相互作用采用彈性支撐進行模擬，其余結構單元例如主梁、蓋梁、橋墩、樁基等均采用空間桿系單元進行模擬。

分析樁土相互作用時，為了簡化計算過程，同時簡化樁基礎截面形狀和樁基礎之間的相互作用，計算樁基礎受時力不按實際樁基礎的設計寬度進行計算，而是考慮樁基礎的等效寬度。我國《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[11]給出了樁基礎等效寬度的計算方法，詳見該規(guī)范附錄P中的P.0.1條具體介紹。在地基水平抗力系數(shù)C和樁基等效寬度b確定之后，就可以計算各層土的等代土彈簧剛度值如式(1.1)所示。

Ki=b·hi·Ci

(1.1)

式中：Ki—第i層地基土的等代土彈簧剛度；

b —樁基礎的計算寬度；

Ci—第i層地基土的計算地基水平抗力系數(shù)，可由Ci=(C上+C下)/2計算得到；

C上—第i層地基土頂部地基水平抗力系數(shù)；

C下—第i層地基土底部地基水平抗力系數(shù)。

按照橋址處的巖層地質分析報告可以確定樁基礎的土層類型主要是半堅硬黏性土和角礫，根據(jù)我國《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[11]可知半堅硬黏性土層的m值為25000kN/m；角礫土層的m值為55000kN/m，以巖層厚度5m為基準，按照相關公式即可分別計算各層土的等效土彈簧計算剛度。利用節(jié)點彈性支撐可以對作用節(jié)點各個方向的自由度建立彈性支撐單元，彈性支撐單元分為兩類，一類是線彈性支撐單元，用來約束三個方向平動自由度；一類是轉角彈性支撐單元，用來約束三個方向轉動自由度。本章分析時，按照我國《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[11]根據(jù)“m”法計算的土彈簧剛度作為樁土相互作用彈性支撐的剛度。建模時在樁身各節(jié)點處僅輸入X方向和Y方向的線彈性剛度，樁底節(jié)點邊界條件采用固結，從而實現(xiàn)樁土相互作用中土體對樁基側向約束的模擬，進而可以得到考慮樁土相互作用的“m”法抗震結構模型。

為了更好地對比分析樁土相互作用對結構地震響應的影響，本文分別建立樁基礎以及墩底固結模型如圖所示。

圖3 墩底固結有限元模型

圖4 樁土相互作用模型

四、計算結果對比分析

按照反應譜分析法可以分別得到E1和E2地震縱橫向作用下主梁的位移響應如表1所示，E1和E2順橋向地震作用下墩底截面最大內力響應如表2所示，E1和E2橫橋向地震作用下墩底截面最大內力響應如表3所示。

表1 縱橫向地震作用主梁最大位移

表2 順橋向地震作用墩底截面最大內力響應

表3 橫橋向地震作用墩底截面最大內力響應

從表1可以發(fā)現(xiàn)，兩種模型在地震作用下的順橋向位移均大于橫橋向位移，這說明結構本身的順橋向剛度均小于橫橋向剛度。同等地震作用下，墩底固結模型的順橋向和橫橋向位移響應均小于樁土相互作用模型。E1地震作用下，樁土相互作用模型順橋向位移響應為墩底固結模型的4.9倍，橫橋向位移響應約為墩底固結模型的5.6倍；E2地震作用下，樁土相互作用模型順橋向位移響應為墩底固結模型的3.6倍，橫橋向位移響應約為墩底固結模型的3.7倍。

對比表2和表3可以發(fā)現(xiàn)，兩種模型在順橋向和橫橋向的地震響應差異并不顯著，結構橫橋向地震響應略大于橫橋向地震響應。但是無論是在順橋向或者是在橫橋向，E2地震作用下墩底截面最大彎矩比E1地震作用增大了4到5倍，墩底截面最大剪力比E1地震作用增大了5到6倍。另外相比于墩底固結模型，樁土相互作用模型的墩底截面最大響應均有小幅度增大。

五、結論

對于本文研究的簡支梁橋，無論是在縱橫向地震作用下，兩種模型得到的地震作用墩底截面內力響應差異并不顯著。如果僅僅是為了對簡支梁橋進行地震作用下內力響應分析而不考慮位移響應的情況下，可簡化建模方式直接采用墩底固結模型。

樁土相互作用模型由于建模時考慮了地基土的剛度影響，結構在地震作用下的順橋向和橫橋向位移響應均比墩底固結模型高出了數(shù)倍。因此按照墩底固結模型的地震響應結果進行抗震設計研究偏不安全。

在簡支梁橋抗震設計研究時，建模時考慮樁土相互作用可以得到更為準確的內力、位移地震響應，因此在進行抗震分析時建議考慮場地的樁土相互作用。