莊燕婷

(閩南理工學院 土木工程學院 福建泉州 362700)

整體式橋臺無縫橋(簡稱整體橋)可從根本上解決傳統(tǒng)橋梁伸縮裝置易損性和耐久性問題，是一種具有整體性和耐久性好、行車舒適和抗震性好等優(yōu)勢的新型橋梁結構，在國內外受到許多橋梁設計者的喜愛。然而，整體橋與傳統(tǒng)橋梁在受力性能上也存在很大差異，由于取消了伸縮縫與伸縮裝置，在溫度荷載作用下，整體橋主梁的伸縮變形會引起樁基礎和橋臺產生較大的往復變形，使得樁基礎成為整體橋受力最為薄弱的部位之一〔1〕。文中將依托某座整體橋，建立全橋桿系有限元模型，模型中在柔性橋臺下分別設置了最為常用的矩形樁、圓形樁和H型鋼樁，考慮E1、E2地震作用，研究柔性橋臺下設置混凝土樁基和H型鋼樁對整體橋上部結構和下部結構抗震性能的影響，研究結果可為整體橋的設計和相關規(guī)范的制定提供參考。

1 工程背景

1.1 工程簡介

以某座預應力混凝土整體橋為工程背景，主跨長35m，橋寬23m，引板長9m，橋臺高5.967m(未含主梁高1.0m)，整體布置詳見圖1。其中主梁采用預制T型梁截面，梁高1.0m，采用C50混凝土；柔性橋臺厚800mm，寬23000mm,采用C40混凝土；承臺寬2100mm，長23000mm，采用C40混凝土；圓形樁基礎長21m，樁徑為1.0m，采用C40混凝土。公路等級為二級，設計荷載為汽-20、掛-100，整體升、降溫為20℃。

(a) 整體布置圖

(b) 1/2主梁全截面

1.2 樁基設計

該整體橋采用鋼筋混凝土圓形樁為主，在此基礎上進行樁基類型設計，采取弱軸向等寬度和豎向承載力等強度的設計原則確定各樁基截面尺寸，最終選用了國內外整體橋廣泛采用的矩形樁、圓形樁和H型鋼樁作為研究對象，各樁基截面尺寸如圖2所示。設計樁基參數(shù)主要為：圓形混凝土樁采用C40混凝土，軸心抗壓強度設計值fc為19.1MPa, 彈性模量E為32.5GPa，截面面積A為0.7854m2；矩形混凝土樁采用C30混凝土，軸心抗壓強度設計值fc為14.3MPa, 彈性模量E為30GPa，截面面積A為1.0m2；H型鋼樁采用Q235鋼材，抗壓強度設計值fs為215MPa, 彈性模量E為206GPa，其截面面積A為0.07036m2。最終，矩形樁、圓形樁和H型鋼樁的弱軸向受力寬度均為1000mm，豎向截面強度分別為 14300kN,15001.14kN和 15127.4kN。與原型樁相比，矩形樁的豎向截面強度降幅為4.6%，H型鋼樁的豎向截面強度增幅為0.84%。因此，這三種類型樁對整體橋抗震性能的影響具有較好的可比性。

(a) 矩形樁

(b) 圓形樁

(c) H型鋼樁

2 有限元模型建立

采用MIDAS CIVIL 2015軟件建立整體橋全橋有限元桿系模型，見圖3。主梁和柔性橋臺通過梁格法進行建模，橫向聯(lián)系采用虛擬橫梁進行模擬。橋臺與主梁采用剛接，橋臺與承臺及其下部樁基礎采用共節(jié)點建立。橋面鋪裝通過荷載的形式平均施加至主梁上。全橋有限元模型共計1266個單元和787個節(jié)點。

模型中考慮了樁-土和橋臺-土相互作用。該整體橋樁側和臺側的地質情況詳見圖1，樁側通過線性土彈簧模擬，土彈簧剛度采用《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG D63-2007)中的‘m’法進行計算，樁底采用固結。臺后土彈簧的剛度采用美國國家公路合作研究計算(NCHRP)給出的密實性砂土的土壓力系數(shù)確定，詳見文獻?！?〕

圖3 整體橋有限元模型

3 自振特性分析

分別對三種類型樁基支撐的整體橋的前6階自振模態(tài)和頻率進行分析，限于篇幅，僅給出第一階的自振模態(tài)圖，主要通過列表形式進行比對，詳見圖4和表1所示。

由圖4和表1可知，采用不同類型樁基對整體橋自振模態(tài)的影響較大，但對結構頻率的影響較小，頻率最大誤差約為5.7%。結果顯示，圓形樁支撐的整體橋自振模態(tài)表現(xiàn)為橋臺對稱彎曲，而H型鋼樁和矩形樁支撐的整體橋自振模態(tài)相同，均表現(xiàn)為主梁一階豎彎。前6階模態(tài)顯示，圓形樁支撐的整體橋主要表現(xiàn)為橋臺變形，結構相對較柔，而H型鋼樁和矩形樁支撐的整體橋主要表現(xiàn)為主梁變形，結構剛度較大。

(a) 圓形樁

(b) 矩形樁

(c) H型鋼樁

4 整體橋抗震性能分析

4.1 地震反應譜

根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》(JTGT B02-01-2008)及相關工程背景資料，該整體橋的抗震設防類別為B類，場地條件為II類，特征周期Tg為0.40s，7度設防烈度(0.10g)，阻尼比為0.05，分別考慮E1、E2 地震荷載以模擬小震、大震作用，如圖5所示。

表1 不同樁基支撐整體橋自振特性分析

(a) E1地震作用反應譜

(b) E2地震作用反應譜

4.2 整體橋抗震性能分析

4.2.1 主梁抗震性能分析

在E1地震作用和E2地震作用下對整體橋上部結構的抗震性能進行分析，同時分別考慮X、Y、Z三個方向的地震力，表2和表3分別列出了在E1、E2地震作用下的主梁最大位移和內力地震響應。

結果分析可知，在E1、E2地震作用下，圓形樁支撐的整體橋主梁位移地震響應要大于矩形樁的。其中，E1地震作用下，梁端最大位移值約增大4.25%～21.74%，跨中最大位移約增大0.67%～7.76%；在E2地震作用下，梁端最大位移值約增大4.25%～20%，跨中最大位移約增大0.68%～7.73%。而與圓形樁相比，H型鋼樁的主梁位移地震響應明顯較大，其中以梁端豎向最大位移最為顯著，最大增幅達到了96.42%。梁端豎向位移越大，引起主梁與橋臺固結處產生的拉應力越大，越容易引起該處主梁與橋臺混凝土的開裂。從中可說明當整體橋采用矩形樁作為其樁基礎時可有效降低主梁的位移地震響應。此外，從主梁內力地震響應對比分析可知，E1、E2地震作用對三種類型樁基支撐的整體橋主梁內力響應影響較小。

表2 E1、E2地震作用下主梁最大位移

表3 E1、E2地震作用下主梁最大內力

4.2.2 橋臺與樁基抗震性能分析

在E1、E2地震作用下對整體橋橋臺與樁基的抗震性能進行分析，也分別考慮X、Y、Z三個方向的地震力，表4和表5分別列出了在E1、E2地震作用下的橋臺與樁基的最大位移和內力響應。

結果分析可知，與矩形樁相比，圓形樁支撐的整體橋的橋臺位移地震響應較大，最大提高了12.0%，但其樁基位移地震響應有所減小，最大減小了14.16%。而與圓形樁相比，H型鋼樁支撐的整體橋的橋臺位移地震響應較大，最大提高了23.08%，但其樁基位移響應較小，最大減小了38%。從以上研究顯示，采用不同類型樁基對整體橋下部結構位移的地震響應各有差異。整體橋的樁基礎變形較小，主要依靠柔性橋臺的變形來消耗地震能量。

此外，研究還可知，與矩形樁相比，圓形樁支撐的整體橋的橋臺和主梁內力地震響應較為相近，最大升、降幅均在28%左右，而H型鋼樁支撐的整體橋橋臺內力地震響應相對更大，最大增幅達到了46.9%，但其樁基內力地震響應則明顯更小，其最大降幅達到了41.45%。研究顯示，在高震區(qū)，整體橋的樁基礎將承受較大的地震荷載，建議采用H型鋼樁更好，其強度高，延性好，可很好地抵抗較大的地震力?！?〕而混凝土樁承受的地震荷載較H型鋼樁大，可有效防止混凝土樁基發(fā)生嚴重的混凝土破碎甚至剪切破壞。

表4 E1、E2地震作用下橋臺與樁基位移

表5 E1、E2地震作用下橋臺與樁基內力

5 結語

整體橋取消了伸縮縫與伸縮裝置，基本可實現(xiàn)免養(yǎng)護，是一種符合可持續(xù)發(fā)展與全壽命周期的新型橋梁結構。文中以某座整體橋為研究背景，分別在柔性橋臺下設置了矩形樁、圓形樁和H型鋼樁，研究整體橋在E1、E2地震作用下上部結構和下部結構的地震響應，主要研究成果如下：

(1) 采用不同類型樁基對整體橋自振模態(tài)的影響較大，但對結構頻率的影響較小，頻率最大誤差約為5.7%。

(2) 在地震荷載作用下，H型鋼樁支撐的整體橋在梁端會出現(xiàn)較大的豎向位移，容易引起主梁與橋臺固結處較大的拉應力，對主梁和橋臺的受力不利。

(3) 整體橋采用矩形樁可有效降低主梁的位移地震響應，但采用不同類型樁基對其主梁內力地震響應的影響不大。

(4) 采用不同類型樁基對整體橋下部結構位移的地震響應存在較大差異，且整體橋的樁基礎變形較小，主要依靠柔性橋臺的變形來消耗地震能量。

(5) 在強震作用下，整體橋的樁基礎會承受較大的地震荷載，建議采用H型鋼樁更好，其強度高，延性好，可很好地抵抗較大的地震力?；炷翗痘惺艿牡卣鸷奢d明顯較H型鋼樁大，尤其在強震區(qū)使用應采取有效措施防止混凝土樁基發(fā)生嚴重的混凝土破碎甚至剪切破壞。