考虑桩-土作用整体式承台连续刚构桥地震反应分析

姜有鑫，郭炎峰

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030)

0 引 言

公路连续刚构桥采用分幅设计时，承台结构一般可选用整体式或分离式2种形式。其中整体式承台因其整体刚度大、稳定性强等特点，对提高桥梁横向抗风、抗船舶冲击能力有明显优势，同时其对地基承载能力的需求指标也将更高，但目前业内关于桩-土相互作用对整体式承台连续刚构桥地震反应影响的研究和讨论较少[1-3]。

1 工程概况

弯沟特大桥主跨连续刚构桥跨径为(64+115+64)m，主梁至基础采用分幅对称设计，左、右幅主梁顶面净距1 m。主梁顶宽11.75 m，支点处梁高6 m，跨中处梁高2.5 m，其间高度以1.8次抛物线变化。桥墩为双薄壁空心墩，截面尺寸为600 cm×200 cm，双肢间距5 m，其中1#墩高63.1 m，2#墩高54.8 m，主梁与桥墩均采用C50级混凝土。承台采用整体式结构，即左、右幅桥共用一个承台，承台尺寸为1 037.5 cm×800 cm×365 cm，采用C30级混凝土，承台下设8根桩基础，桩径2.0 m，1、2#墩下桩长分别为47 m和40 m，采用C25级混凝土。

桥址位于西北高烈度区，桥梁抗震设防类别为B类，设防烈度Ⅷ，场地特征周期0.45 s，基本地震动加速度峰值为0.2 g。

2 地震反应分析

2.1 数值模型

采用midas Civil有限元分析软件分别建立了两种动力分析模型，全桥均采用弹性梁单元，墩梁固结处采用刚性连接，边支座处采用直接约束位移的简化处理，忽略了边墩质量影响。如图1～图2所示，模型1忽略了桩-土相互作用，承台底面边界条件采用直接固结处理，全桥共计602个单元；模型2为考虑桩-土相互作用的模型，桩身周围侧向土压力及刚度大小由“m法”[4，5]计算得到，后以等代线性土弹簧模拟，全桥共计1202个单元。2种模型基础以上结构质量完全一致，结构阻尼比取0.05。

图1 有限元分析模型

图2 地震时程曲线图

3 地震动输入

采用动态时程分析方法[6]，根据场地特征，如图2所示，选用2条典型地震波(Elcent、Taft)和1条人工拟合波，从桥梁纵向、横向分别进行激励。

4 反应结果分析

4.1 自振特性

分析得到各模型主要自振特性，如表1，可以看出：(1)2种模型振型有相似性，模型2在考虑了桩-土作用后，承台底部边界条件发生变化，致使模型2自振周期大于模型1，自振频率小于模型2；(2)由于采用整体式承台将桥梁下部连为整体，而桥梁上部相对独立，因此使得桥梁产生如图3所示的振型(左、右幅桥非一致性振动)，这种振型仅出现于采用整体式承台设计的双幅桥梁。

表1 2种模型自振特性对比

图3 地震时程曲线图

4.2 E1水准地震反应

E1地震PGA(地震加速度峰值)=A×Ci=0.1 g，经时程分析计算，反应结果见表2～表3所示。

表2 E1地震作用下最大桥墩弯矩反应对比

表3 E1地震作用下最大墩顶位移反应对比

根据结果可知：地震波无论从纵向或横向进行激励，模型1弯矩反应结果均大于模型2，最大差异为模型2的1.22倍；反之模型1位移反应结果均小于模型2，最大差异为模型2的0.81倍。这是由于模型1忽略了桩-土相互作用而采用直接固结承台底部的模拟方式，致使整体结构体系刚度增加，弯矩反应结果增大，位移反应结果减小。

4.3 E2水准地震反应

E2地震PGA(地震加速度峰值)=A×Ci=0.34 g，经时程分析计算，反应结果如表4～表5所示。从E2地震作用反应结果可以看出，在线性阶段下，桥梁的内力及位移反应均增大了一个量级，且2种模型产生的差异特点延续了E1地震阶段的反应结果，其中模型1弯矩最大为模型2的1.46倍，位移最小为模型2的0.81倍，符合考虑桩-土相互作用后的结构反应特点。

表4 E2地震作用下最大桥墩弯矩反应对比

表5 E2地震作用下最大墩顶位移反应对比

5 结 论

以国网高速G75兰州段弯沟特大桥主跨(64+115+64)m整体式承台双幅连续刚构桥为背景，为分析考虑或忽略桩-土相互作用对连续刚构桥的反应结果影响，分别建立了两种数值模型，通过动态时程分析方法，对桥梁线弹性阶段的地震反应结果进行分析研究，得到以下结论。

(1)考虑桩-土相互作用将改变连续刚构桥的边界条件，减小结构整体刚度，增大结构自振周期。在线弹性地震反应阶段，忽略桩-土作用的模型1弯矩最大为模型2的1.46倍，位移最小为模型2的0.81倍。

(2)采用整体式承台设计，由于双幅桥梁上部相对独立，而下部结构由承台连为整体，桥梁将会产生左、右幅桥非一致振动的独有振型。

(3)以地震作用为主要控制指标的整体式承台连续刚构桥，建议应考虑桥梁桩基与地基土的相互作用影响，以接近真实反应结果。