考虑桩-土-结构作用下的大跨径悬索桥地震响应分析研究

Seismic Response Analysis of Long-span Suspension Bridge Considering Pile-soil-structure Action

杨宇® YANG Yu;李庆达于 LI Qing-da;浦丽® PU Li;张晓杰® ZHANG Xiao-jie(①云南云岭高速公路建设集团有限公司，昆明650224;②云南龙江特大桥建设指挥部，昆明650228)

(①Yunnan Yunling Expressway Construction Group Co.，Ltd.，Kunming 650224,China;②Yunnan Longjiang Grand Bridge Construction Headquarter, Kunming 650228 , China )

摘要:本文以主跨布置为320m+1196m+320m的某特大跨径悬索桥为例，采用有限元软件建模计算,通过设置弹簧单元模拟桩土 作用，弹簧单元刚度采用m法计算，地震动输入取七组地震波地震响应的平均值，分析考虑桩-土-结构作用下的大跨径悬索桥地震响应。

考虑桩-土-结构作用下的大跨径悬索桥地震

响应分析研究

element softw-are is used for modeling and calculation. The spring element is used to simulate the pile and soil action. The spring element stiffness is calculated by the m method. The average value of seismic response of seven sets of seismic waves is used as the ground motion input. The seismic response of the long - span suspension bridge under the action of pile-soil-structure action is analyzed.

关键词:桩-土-结构作用；悬索桥;地震响应Key words: pile-soil-structure action； suspension bridge； seismic response中图分类号:U442.5+5 文献标识码:A文章编号：1006-4311 (2017 )20-0117-03

Abstract: In this paper, a large span suspension bridge with 320m+1196m+320m as the main span is taken as an example. The finite

0引言

云南省正值高速公路建设发展的高峰期，地处高原山 区，路线走向不可避免地常跨峡谷。悬索桥作为目前跨越能 力最大的结构形式，多被设计单位在路线跨越山谷时选用。目前，考虑桩-土-结构相互作用的理论分析方法主要有荷 载传递法、弹性理论法、有限单元法、边界单元法等，或者将 多种成熟方法进行耦合计算。桩土作用对结构地震响应的 影响主要体现在改变结构的自振频率、阻尼及地震动输入 等方面，目前大多数的研究者采用实体单元建立模型来考 虑桩-土-结构作用，但不便于抗震设计计算。本文通过设 置弹簧单元模拟桩土作用，其采用m法计算刚度，分析研 究考虑桩-土-结构作用下的大跨径悬索桥地震响应。

1工程背景

本文以某大跨径悬索桥为例，主跨布置为320m+1196m+320m，主塔采用门形框架结构，为普通钢筋混凝土

作者简介：杨宇（1979-)女，黑龙江哈尔滨人，工程师，研究方向

为桥梁工程及无机非金属材料。

结构，横梁为预应力结构，索塔基础采用32根D2.5m的钻 孔灌注桩基础。主梁为流线型扁平钢箱梁，宽31.5m，高 3m，纵向设置阻尼器于钢箱梁底部与横梁处。

2建模策略

本文采用有限元软件建模，其主缆、吊索采用索单元

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• 118 •

进行模拟，主塔、横梁等均采用空间梁单元进行模拟，通过 设置弹簧单元模拟桩土作用，其采用m法计算刚度，同时 考虑引桥对主桥动力特性影响。由于桥梁下部结构在E2 地震作用下会发生开裂或是损伤，本文通过下部结构的刚 度折减20%考虑该类情况。

2.1抗震设防目标的选取

价值工程

和阻尼系数。

本文计算采用有限元软件通过在桩基础位置土体分 层设置弹簧单元考虑桩土相互作用的影响，弹簧单元分纵 横向设置，忽略土体质量及阻尼。桥梁桩基础处的土体弹 簧刚度，根据土体分层利用m法进行计算。

m法假定桩土作用时线性的，不考虑桩土之间的摩阻 力。土体对桩身的抗力表示为：

结合该工程建设初期安评报告及专项研究结果给 出的桥址区场地地震基本烈度峪度、地震动参数较大， 以及考虑大跨径桥梁的重要性等因素，设防标准为E1 式中，^为深度为y的桩基侧面土体的地基系数，及 作用下，基准年限100年超越概率10%,峰值加速度0. cy=my,m为地基系数的比例系数。376g;E2作用下，基准年限100年超越概率4%,峰值加 速度 0.477g。2.2 地震动参数

大桥场地土为11类场地土，根据该桥安评报告给出 的东岸锚碇、东岸主塔、西岸主塔和西岸锚碇四处地震 动参数，E1地震取东岸锚碇反应谱，E2地震取东岸主塔 反应谱，通过取七组地震波地震响应的平均值，得到E1、

E2作用下分析研究结构动力特性的反应谱如图2、图3

所示。

图2

E1地震反应谱(基准年限100年超越概率10%)

七条地震波平均反应谱

E2地表反应谱

T( s)

图3

E2地震反应谱(基准年限100年超越概率4%)

2.3桩-土-结构耦合作用

当桥梁自重及其所受荷载通过桩基对土体产生作用

时，土体经压缩向下产生变形，同时桥梁桩基础受到来自 土体侧面的摩阻力。地基的刚度和阻尼也会影响桥梁桩 基和结构的受力特性，因此在桥梁的抗震分析计算中，为 了更加符合实际情况，不得不全面考虑土体和结构的相

互作用。

桩-土-结构相互作用计算的理论方法目前主要有： 荷载传递法、弹性理论法、有限单元法、边界单元法等，或 者将多种成熟方法进行耦合计算。常见的桩-土-结构相 互作用计算多采用有限元模型，在桩基处设置弹簧单元模 拟土体侧向刚度，同时为简化计算，通常忽略土体的质量

3地震响应分析研究3.1 E1纵向地震作用的动力响应

图4耀图7分别给出了在E1纵向地震作用时,桥梁结 构考虑桩土作用及不考虑桩土下的主塔轴力、剪力、弯矩 及位移的包络图。可以看出，是否考虑桩土作用，对其剪 力、弯矩及位移的计算结果均有影响。桩土作用

无桩土作用

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图4主塔轴力包络图（左：东岸，右:西岸)

图5主塔剪力包络图（左：东岸，右:西岸）

3.2 E2纵向地震作用的动力响应

图8耀图10分别给出了在E2纵向地震作用时，桥梁 结构考虑桩土作用及不考虑桩土下的主塔轴力、剪力、弯 矩的包络图。可以看出，是否考虑桩土作用，对其轴力、剪

力的计算结果影响较大，特别是在主塔横梁以下位置的剪 力值。4结果分析①在纵向地震作用下，东岸主塔轴力变化很小，剪力 最大增大了 11%,弯矩最大增大了 16%;西岸主塔轴力变

Value Engineering

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• 119 •

桩土作用

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图6主塔弯矩包络图(左:东岸，右:西岸)

图8主塔轴力包络图(左:东岸，右:西岸)

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--无桩土作用

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位移(m)

0.2 0.3 0.4 0.5

位移(m)

图9

200

主塔剪力包络图(左:东岸，右:西岸)

图7主塔位移包络图(左:东岸，右:西岸）

180

化很小，剪力最大增大了 15%,弯矩最大增大16%。

160

② 在横向地震作用下，东岸主塔轴力最大增大了 5%,

140

剪力最大增大了 11%,弯矩最大增大18%;西岸主塔轴力最 大增大了 4%,剪力最大增大了 11%,弯矩最大增大10%。

③ 相比之下，大跨度悬索桥在计算地震响应时，不可 忽略桩-土-结构的相互作用。

—

桩土作用 无桩土作用

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