V型墩连续刚构桥反应谱分析

摘要：以某五跨V型墩连续刚构桥为例，建立有限元模型，模拟桥梁实际构造及受力过程，考虑软土地基中深桩基础的桩同作用，对结构进行动力特性分析，在此基础上进行反应谱分析，并考虑高阶振型的影响，得出在边跨与次中跨间的桥墩处采用柔性桩基对结构地震响应的影响。

关键词：V型墩连续刚构；地震响应；反应谱； 软土地基。

引言

本文以某五跨V型墩连续刚构为例，采用有限元程序建立了桥梁的空间有限元计算模型，对模型进行模态分析，并考虑桩-土-结构相互作用对结构动力特性的影响。在模态分析的基础上，对结构进行二维反应谱分析，根据实际桥梁结构与场地特点，以相关文献资料的设计反应谱作为该桥谱分析的曲线，分析柔性桩基对结构地震响应的影响。

1工程实例

实例桥总长306米，全桥梁位于R=1100m的平面圆曲线道路上，桥墩、台按径向布置。主桥采用35m＋3×52m＋35m五跨对称V形墩连续刚，主桥箱梁横断面采用两箱四室结构，箱梁顶宽22.1m，底宽2×7.5m，翼缘1.5m，跨中及端支点处梁高1.3m，主梁与V墩相接处梁高2.4m，梁高沿跨径按圆曲线变化，其立面图、主梁横断面图及V墩立面图见图1～图2。箱梁采用纵向预应力体系，在V墩左右各7m范围内边腹板及中腹板处布置有竖向预应力粗钢筋。纵向预应力束分为顶板束、底板束和腹板下弯束。

(2#墩) (3#墩) (4#墩) (5#墩) (6#墩) (7#墩)

图1V型墩连续刚构立面图

图2V型墩连续刚构主梁横断面图

3 有限元模拟

本文采用有限元分析程序对桥梁进行地震反应计算。主梁、V墩及桩均采用与实际材料相应的梁单元模拟，桩―土相互作用采用线弹性支撑附加阻尼模拟，其节点上的附加质量采用程序中专有的节点质量模拟，在模型中，将桥面铺装与结构一样，分别在X Y Z方向转化为集中质量。为了便于分析柔性桩对结构地震反应的影响，将采用如下模型：

模型Ⅰ：中墩采用双排Φ120cm钻孔灌注桩基础，次中墩采用单排Φ180cm钻孔灌注桩基础，以下称为柔性桩基模型见图3。

模型Ⅱ：中墩及次中墩均采用双排Φ120cm钻孔灌注桩基础，为了便于区分，以下称为对比模型见图4。

图3柔性桩基模型离散图图4柔性墩对比模型离散图

曲线桥应分别沿桥轴线的弧线方向考虑顺桥向和横桥向的地震作用，以确定最不利地震水平输入方向[2]，三种地震输入方式下的内力值见表2～表4。

表23#、4#墩连线方向和垂直于连线方向地震输入所得内力值

位置 N(KN) Q-y(KN) Q-z(KN) M-y(KN*m) M-z(KN*m)

3#墩底 1652.91 109.82 737.65 1734.67 703.68

3#墩顶 1407.41 142.84 696.37 679.69 506.22

4#墩底 4599.65 1612.64 789.41 2219.23 5586.86

4#墩顶 4020.03 1470.32 722.96 790.27 961.14

5#墩底 3756.51 1694.82 813.37 2185.41 6100.05

5#墩顶 3236.52 1541.21 723.16 818.94 915.10

6#墩底 1999.84 474.47 730.75 1737.88 1262.82

6#墩顶 1744.43 368.35 732.85 890.97 403.91

表34#、5#墩连线方向和垂直于连线方向地震输入所得内力值

位置 N(KN) Q-y(KN) Q-z(KN) M-y(KN*m) M-z(KN*m)

3#墩底 1654.55 109.90 750.91 1776.36 705.34

3#墩顶 1408.75 143.09 712.74 688.46 507.62

4#墩底 4608.47 1672.26 803.53 2285.82 5793.75

4#墩顶 4029.28 1522.72 724.45 791.23 980.54

5#墩底 3767.85 1754.93 821.53 2270.98 6346.39

5#墩顶 3249.55 1598.80 725.64 822.25 925.17

6#墩底 2202.70 478.75 741.03 1760.77 1271.32

6#墩顶 1746.42 370.66 736.22 893.84 404.48

表45#、6#墩连线方向和垂直于连线方向地震输入所得内力值

位置 N(KN) Q-y(KN) Q-z(KN) M-y(KN*m) M-z(KN*m)

3#墩底 1654.64 109.80 751.42 1777.72 704.92

3#墩顶 1408.83 142.89 713.28 689.01 507.69

4#墩底 4608.81 1674.06 804.04 2287.74 5800.08

4#墩顶 4029.64 1524.35 724.51 791.27 981.21

5#墩底 3768.24 1756.80 821.83 2273.00 6353.41

5#墩顶 3249.97 1600.50 725.72 822.37 925.48

6#墩底 2002.72 479.00 741.41 1761.54 1271.79

6#墩顶 1746.40 370.80 736.33 893.97 404.45

从表中数据可以看出，由于本桥曲率半径较大，三种地震输入方式所得内力基本一致，为了与时程分析中地震波输入方向统一，本文对结构进行4#墩与5#墩连线方向和垂直于连线水平方向地震输入。

3 计算结果

多振型反应谱法除了需要考虑最大反应量的组合外，实际应用中，还需要考虑多向地震动作用时的组合问题。对此问题，各国现行规范大都采用简单的“100%十30%”的组合原则:即分别计算两个正交的最不利水平方向的地震力，然后再把某一水平方向地震力的100%+与之正交的另一水平方向地震力的30%[1]，作为设计的地震力。本文采用如下4种组合方式：

组合Ⅰ：纵向100%；组合Ⅱ：横向100%；

组合Ⅲ：纵向100%+横向30%组合Ⅳ：横向100%+竖向30%

选取本桥各V墩墩顶和墩底、边跨跨中、次中跨跨中以及中跨跨中为关键截面。在各种组合下对模型Ⅰ和模型Ⅱ各关键截面位移进行对比分析，见图5～图10。

图5模型Ⅰ和模型Ⅱ在组合Ⅰ下纵桥向位移对比

图6模型Ⅰ和模型Ⅱ在组合Ⅱ下横桥向位移对比

图7模型Ⅰ和模型Ⅱ在组合Ⅲ下纵桥向位移对比

图8模型Ⅰ和模型Ⅱ在组合Ⅳ下横桥向位移对比

图9模型Ⅰ在组合Ⅰ和组合Ⅲ下纵向位移对比

图10模型Ⅰ在组合Ⅱ和组合Ⅳ下横向位移对比

4 结论

1、 在纵桥向地震动作用下，模型Ⅰ各关键截面纵向位移大于模型Ⅱ(横向、竖向位移与纵向位移相比可忽略不计)，位移最大处在边跨跨中，其值分别为5.98mm和4.53mm；在纵桥向+30%横桥向地震动作用下，模型Ⅰ各关键截面纵向位移大于模型Ⅱ(横向、竖向位移与纵向位移相比可忽略不计)，位移最大处在边跨跨中，其值分别为6.17mm和4.64mm。可见在3#、6#墩处采用柔性桩基，可增大结构在地震动作用下的纵向位移。

2、在横桥向地震动作用下，模型Ⅰ各关键截面横向位移大于模型Ⅱ(纵向、竖向位移与横向位移相比可忽略不计),位移最大处在中跨跨中，其值分别为4.56mm和4.50mm；在横桥向+30%纵桥向地震动作用下，模型Ⅰ各关键截面横向位移大于模型Ⅱ(纵向、竖向位移与横向位移相比可忽略不计)，位移最大处在中跨跨中，其值分别为4.56mm和4.51mm。说明在3#、6#墩处采用柔性桩基，可增大结构在地震动作用下的横向位移。

3、模型Ⅰ各关键截面在纵桥向地震动作用下的纵向位移与其在纵桥向+30%横桥向地震动作用下的纵向位移相差不大；模型Ⅰ各关键截面在横桥向地震动作用下的横向位移与其在横桥向+30%纵桥向地震动作用下的横向位移同样相差不大。可见横向地震动对结构的纵向位移以及纵向地震动对结构的横向位移均无太大影响。

5 结束语

本文以南方某软土地基上V型墩预应力混凝土连续刚构桥为例，采用有限元程序建立了桥梁的空间有限元计算模型，结合相关理论对桥梁进行反应谱分析，通过分析不同的基础形式在地震作用下的受力得出相应的结论，对以后同类地质上的同类桥梁设计时的桩基选择提供一定的参考，但是桥梁抗震目前还存在很多不足，希望以后学者能对软土地基上的刚构桥梁的抗震能作进一步分析。

参考文献：

[1] 范立础.桥梁抗震[M]．上海：同济大学出版社，1997年

[2] 重庆交通科学研究.公路桥梁抗震设计细则.北京:人民交通出版社,2008.

[3] 宋一凡 编著．公路桥梁动力学[M]．人民交通出版社．2000年6月

[4] JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[5] JTG D62-2004,公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

作者简介：李宪男 陕西西安人，生于1979年7月职称：工程师。