0 引言

桥梁作为重要的社会基础设施，具有投资大、公共性强、维护管理困难的特点，桥梁同时又是抗震防灾、危机管理系统的一个重要组成部分，提高桥梁的抗震性能是减轻地震损失、加强区域安全的基本措施之一。地震爆发时会释放出巨大的能量，使得桥梁结构发生墩柱屈服、支座沉降、位移过大而导致梁体结构破坏，甚至出现基础失效导致桥梁结构坍塌现象。对此，刘爱荣等[1]、刘坤[2]考虑桩-土结构相互作用对大跨度连续刚架钢桁拱桥进行了地震响应影响研究，周大兴[3]基于考虑桩-土耦合对大跨径连续梁桥进行了抗震性能研究，陈文元[4]考虑桩土水耦合作用下对大跨斜拉桥进行了地震响应与可靠度研究，刘杰[5]、彭益华[6]、丁驰[7]、张伟[8]、王亮[9]研究了大跨度悬索桥的抗震性能，杨银庆[10]、陈天亮[11]、张常明等[12]研究了自锚式悬索桥的地震反应分析与减震、隔震控制研究，谢宏明[13]考虑桩土相互作用下对三塔悬索桥进行了地震响应分析，曾力[14]对中大跨度悬索桥抗震性能作了相关研究。本文以实际工程为依托，以大型有限元计算分析软件Midas/Civil 2010为手段，在考虑桩-土结构作用下研究了中大跨度悬索桥在地震荷载作用下的动力响应，希望研究结论为类似桥梁结构抗震设计提供有力的技术支撑。

1 工程背景

某高速公路线路上的悬索桥，其设计单跨长420m，对称布置钢筋混凝土门式塔，桥面宽度为38m，设置双向6车道、人行道以及非机动车道。主梁设置为箱型双主梁+钢横梁+混凝土桥面板叠合梁，其中钢横梁中心梁高为2.5m，机动车道的混凝土桥面板厚度为0.2～0.275m。主跨设置纵距为10.5m的39对吊索，吊索设置为双吊杆销接式，采用型号为φ5mm的平行钢丝吊索，每根主缆为70股PPWS5.2—127丝，其横向中心距25m。锚碇采用重力式锚碇。桥型布置图如图1所示。

此次共调查58位居民。有效问卷50份，有效率达86%。男性28人，女性22人，分别占被访谈者总数的56%和44%。访谈对象的文化程度、年龄组成、职业构成各不相同。样本具有一定代表性。

  

图1 主桥布置图

2 有限元计算模型

2.1 模型建立

利用有限元软件Midas/Civil 2010 建立桥梁结构模型，整体为鱼刺骨模型，主梁采用空间梁单元模拟，利用质量点单元模拟主梁的质量和质量惯性矩，主缆采用只受拉桁架单元进行模拟，吊索为空间杆单元，吊索与主梁采用刚臂连接，主塔所有构件为空间梁单元。由于引桥是混凝土结构且与主桥分开，在模型计算过程中影响甚微，为简化计算模型，本文没有对引桥建立模型，主桥支座的边界条件采用弹性链接，模型主要参数见表1～2所示。

两化融合能够有效推动行业基础设施互联互通，生产制造精细化、智能化水平不断提升，资源配置能力全面优化，进而不断激发技术创新活力，逐步建立起推动行业综合发展水平提升、持续获取绩效的长效机制。

 

表1 主梁模型成桥状态参数

  

项目单位数值钢箱梁换算面积m21.902换算竖向抗弯惯性矩m41.163换算横向抗弯惯性矩m4134.858换算扭转惯性矩m41.032质量t/m一期26.5二期10.5质量惯矩tm2/m一期2003.1二期2024.6材料弹性模量MPa2.1×105 泊松比-0.3

2.2.1 主缆的缆索垂度效应

 

表2 主缆计算参数

  

项目单位参数值主缆面积m20.191重量kg/m1483等效密度kg/m37850泊松比 -0.3

2.2 建模计算中非线性问题处理

全桥有限元计算分析模型如下图2所示。

在张力的作用下，主缆的变形分为线性关系的受拉弹性变形、非线性关系的缆索自重垂度效应以及构造伸长效应三种形式，其中构造伸长效应属于永久变形，自重引起的非线性垂度效应主要通过等效弹性模量的方法进行计算，其计算公式为：

Q熊老师您好！一辆宝马轿车，装配的是6HP21变速器，累计行驶77 320km，变速器故障灯点亮，行驶中变速器耸动，有时无论路面好坏，车辆都会出现颤抖的情况，像过减速带一样。请问这是什么故障，应该如何检修？

在Midas/Civil 2010建模时，按照2m一个梁单元划分模拟桩基础，在节点处设置土弹簧，顺、横桥向的刚度一致，刚臂连接承台与桩基础，桩底固结。

(1)

式中：Eeff——修正弹模，Ee——钢束弹模， γ——容重，lx——拉应长度，T——张力，ω——单位长度的主缆自重，A——缆索横截面面积。

2.2.2 阻尼问题

在分析桥梁结构的地震响应时，采用阻尼比的形式表示阻尼，一般情况下，混凝土结构阻尼比取值为3%～5%，钢结构阻尼比取值为1%。悬索桥作为典型的非均匀阻尼的桥梁结构，为了充分考虑结构的非均质和各个结构耗能机理差异造成的阻尼非线性，计算分析时以构件应变能为准，

  

图2 全桥有限元计算分析模型

在模拟计算分析时，采用地震波E2作用，40s分析时间，0.01s分析时间步长，每步输出一个结果。桥塔结构在E2响应结果如下表6所示。

2.2.3 桩-土结构相互作用

“Thou come along,”said Grimes;“What dost want with washing thyself?Thou did not drink half a fallon of beer last night,like me-”

本文在中大跨桥梁结构中，桩基础是被广泛使用的一种基础形式。本文假设桩是弹性地基上的连续梁，采用线弹性地基反力法计算桩基础的水平抗力，用m法来考虑桩-土结构之间的相互作用，桩基础的土弹簧刚度如表3所示。

为了让大家更了解整个“新疆辣椒（色素）全产业链联盟”的运作模式，各环节代表分别向与会的领导、专家、企业、种植户、合作社进行了详细的介绍和推广。

从轴力包络图4和图5中可以看出，在考虑桩-土结构相互作用下，桥塔轴力稍大于无桩-土结构作用的轴力，但差异不大，两者差异在4%左右。图中出现轴力的两个平缓的台阶是由于主缆张力的纵向分量和主梁重力作用导致的。

根据安评报告，三个概率水准的地震动参数为：100年超越概率为63%、10%和3%，地面设计地震动参数见表4所示。

先进性教育活动的开展过程：先在全国党政机关、农村、城市基层等五种类型的19个单位经过试点取得经验之后，在全党范围分三批进行，每批半年左右时间。第一批是县及县以上党政机关和部分企事业单位的党组织，从2005年1月开始至6月基本结束。第二批为城市基层和乡镇机关党组织，从2005年7月开始至12月基本结束。第三批为农村和部分党政机关党组织，从2006年1月开始至6月基本结束。每批集中学习教育时间不得少于三个月，在方法步骤上分为学习动员、分析评议、整改提高三个阶段进行。一共有7000多万党员、350多万个基层党组织参加了历时一年半时间的先进性教育活动。

3 动力特性

本文在考虑桩-土结构相互作用和不考虑桩-土结构作用下计算了该桥的前10阶阵型，如下表5所示。由于篇幅限制，本文只给出第一阶阵型图，如下图3所示。从表中数据得出考虑桩土作用和直接对桩底进行固结的条件下，前十阶频率基本一致，振型相同，说明考虑桩—土结构相互作用对低阶振型基本没有影响。

 

表3 桩-土结构相互作用下土弹簧刚度参数表

  

深度(m)刚度k(KN/m)深度(m)刚度k(KN/m)082501775375800112430019753758003497180217537580058286502375375800711600002575375800914915502775375800117537530029753758001375375500317537580015753758003371606450

 

表4 设计地震动参数

  

位置概率值地震动峰值加速度地震系数T1(s)特征周期(s)动力系数最大值衰减系数右岸100年63%550.0550.10.352.60.90 100年10%1550.1580.10.42.60.90 100年3%2360.2440.10.462.60.90 左岸100年63%590.060.10.32.60.90 100年10%1700.1720.10.352.60.90 100年3%2660.2720.10.42.60.90

 

表5 桥梁前十阶阵型

  

阶次考虑桩-土结构相互作用不考虑桩-土结构相互作用变化率振型10.17920.17920.00%V-A-120.21950.2210.68%L-S-130.23520.23650.55%纵漂40.25470.25610.55%V-S-150.28920.28990.24%主缆横漂-S-160.29210.29210.00%主缆横漂-S-270.34290.34520.67%V-S-280.41650.41660.02%T-A-190.46040.46050.02%V-A-2100.46030.46440.89%T-S-1

注：变化率=(不考虑桩-土结构相互作用-考虑桩-土结构相互作用)/(考虑桩-土结构相互作用)，V-竖向，L-横向，T-扭转，S-对称，A-反对称，比如V-A-1表示第一阶反对称竖弯。

  

图3 第一阵型图f=0.192Hz

4 地震响应结果分析

4.1 E2纵向地震作用结果分析

对各构件的阻尼进行加权平均。参考以往的研究成果，本工程计算分析结构地震响应时，阻尼比取值为2%。

2.2.4 场地地震安全性评价

分析剪力包络图6和图7可以看出，在顺桥向地震作用时，桥塔发生纵向位移，由于主缆对桥塔的约束使得剪力发生突变，没有考虑桩-土结构作用时，剪力变化对称，考虑桩-土结构作用时，左塔剪力大于右塔剪力。

  

图4 顺桥向左塔轴力包络图

 

表6 E2纵向地震作用桥塔结构响应结果

  

构件有桩—土结构作用无桩—土结构作用轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩P(kN)V(kN)M(kN.m)P(kN)V(kN)M(kN.m)左塔最大5868009990235540605209860154600右塔最大5870009780232540606308100175800

  

图5 顺桥向右塔轴力包络图

  

图7 顺桥向右塔剪力包络图

  

图6 顺桥向左塔剪力包络图

  

图8 顺桥向左塔弯矩包络图

从图8和图9可以看出，在考虑桩-土结构相互作用和无桩-土结构作用下，弯矩最大值皆出现在塔底，在桥面高度处有突变发生，两个塔的包络图差异较大，可能是由于桥塔的刚度引起的高阶振型所致。

分析位移图10和图11可以看出，在桩-土结构相互作用下塔柱的纵向位移比无桩土固结作用时要大。

分析图12中数据可以看出，在E2纵向地震作用下考虑桩基础时，塔柱弯矩变化较大，轴力及剪力变化不大。同时，在考虑桩-土结构相互作用下塔梁相对位移比无桩-土结构相互作用下位移要大，最大位移为0.44m，相对位移过大，在桥梁设计过程中应增设阻尼器及限位装置，以减小塔梁间的相对位移。

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图9 顺桥向右塔弯矩包络图

  

图11 顺桥向右塔位移包络图

  

图10 顺桥向左塔位移包络图

  

图12 顺桥向塔梁相对位移

4.2 E2横向地震作用结果分析

在E2横向地震作用下，桥塔结构响应结果如表7所示。

 

表7 E2横向地震作用下桥塔结构响应结果

  

构件有桩—土结构作用无桩—土结构作用轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩P(kN)V(kN)M(kN.m)P(kN)V(kN)M(kN.m)左塔最大73890109201515508538011450191300右塔最大73930111001524508148013710154700

5 结论

地震是自然灾害，科学发展至今仍无法准确提前预测，因此，我们能做的只有加强结构物自身的抗震能力，以减小地震对此带来的损害。本文结合具体的工程实例，利用有限元软件建模模拟了桩-土结构之间的相互作用对中大跨径悬索桥抗震性能的影响，得出以下相关结论：

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(1)考虑桩-土结构相互作用对中大跨度悬索桥的低阶振型影响甚微；

(2)在地震作用下，考虑桩-土结构相互作用时对悬索桥结构内力影响较大；

(3)在顺桥向地震作用下，主塔和主梁之间的相对位移较大，最大达到了0.44m，在桥梁设计时必须考虑设置减震及限位装置降低结构的相对位移，减小地震对中大跨度悬索桥结构造成的破坏后导致出现落梁危险。

参考文献：

[1]刘爱荣，张俊平，禹奇才，周福霖. 桩-土结构相互作用对大跨度连续刚架钢桁拱桥地震响应影响研究[J]. 桥梁建设, 2007(1):25-31.

[2]刘坤. 桩-土结构相互作用对大跨度连续钢桁拱桥的地震响应影响分析[J]. 铁道勘测与设计,2008(2):45-47.

[3]周大兴. 考虑土-结构相互作用大跨径连续梁桥抗震性能研究[D].北京:北京工业大学,2012.

[4]陈文元. 考虑桩土水耦合的大跨斜拉桥地震响应与可靠度研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[5]刘杰. 超大跨悬索桥抗震性能研究[D].西安:长安大学,2012.

[6]彭益华. 大跨悬索桥连接构造与地震响应关系研究及主塔push-over分析[D].长沙:湖南大学,2007.

[7]丁驰. 大跨度悬索桥动力特性研究与地震响应分析[D].昆明:云南大学,2015.

[8]张伟. 大跨度悬索桥地震动响应影响因子及易损性研究[D].重庆:重庆交通大学,2015.

[9]王亮. 大跨径悬索桥动力特性及地震反应研究[D]. 重庆:重庆交通大学,2012.

[10]杨银庆. 大跨度自锚式悬索桥非线性地震反应分析与减震控制研究[D]. 长沙:中南大学,2008.

[11]陈天亮. 独塔自锚式悬索桥动力特性分析与减震控制研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[12]张常明,田石柱,林元铮. 桩-土-结构相互作用与自锚式悬索桥桥塔顺桥向破坏相关性研究[J]. 地震工程与工程振动,2015 (4):139-144.

[13]谢宏明. 考虑土—结构动力相互作用的三塔悬索桥地震响应分析[D]. 成都:西南交通大学,2015.

[14]曾力. 中大跨度悬索桥抗震性能研究[D]. 成都:西南交通大学,2015.