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大量的研究表明桩土相互作用对桥梁的动力特性及地震响应都有较大影响,因此不可忽略其影响,但不同桩土相互作用计算模型所得到的计算结果差异有多大、采用一些简化的桩土相互作用计算模型会引起多大的计算误差等一些对工程设计具有重要意义的问题并没有得到很好解决,还需要注意的是桩土相互作用模型不仅对全桥地震响应有重要影响,更对桩本身的地震响应有很大影响。因此本文将重点研究这些问题,通过比较不同桩土相互作用模型计算结果,研究不同桩土相互计算模型导致的桥梁地震响应结果的主要差异是什么,有多大,为工程抗震设计计算提供参考。此外,阻尼的计算方法也会对桥梁地震响应结果产生影响,通过比较不同的阻尼计算方法的计算结果,研究不同的阻尼计算方法导致的桥梁地震响应结果的主要差异是什么,为桥梁的抗震设计和安全验算提供参考。本文以白沙镇长江大桥(200m+520m+200m混合梁斜拉桥)为工程背景,建立其有限元模型,得出以下研究结论:
(1)由于结构自身构造特点,大跨径塔梁墩固结体系斜拉桥基本振型与一般大跨径斜拉桥有很大不同,考虑地基弹性约束得到的依托工程一阶自振周期为5.67s,基本振型为主塔横桥向对称振动。塔梁墩固结后,桥梁顺桥向刚度显著提高,顺桥向自振周期也大大减小,本文依托工程的顺桥向一阶自振周期减小到2.5s。
(2)通过改变地基对基础的约束刚度(完全刚性约束、不同大小弹性约束),研究了地基约束刚度对大跨径塔梁墩固结斜拉桥自振周期的影响。研究发现,当地基刚度在一定范围内变化时,地基约束强弱对全桥前几阶自振周期的影响较小,例如本桥按地基刚性约束和弹性约束计算得到的一阶自振周期最大相差仅2.4%。
(3)对于塔梁墩固结斜拉桥,其地震响应存在以下特点:一是由于主梁与塔墩固结,主梁的顺桥向地震力主要由两个主塔承担,主塔内力在塔梁固结处存在较大突变,二是由于构造特点,横桥向主梁地震力由各墩共同承担。三是塔梁固结后,地震作用下主梁及塔顶的顺桥向位移大大减小,但由于上塔柱刚度较弱,塔顶横桥向位移较大,这点在桥梁抗震设计时需要特别注意。
(4)通过对分层土弹簧模型和集中土弹簧模型全桥的地震响应比较,发现两种桩土相互作用模型对桥梁地震响应的影响存在部分差异,其中:在动力特性、主塔内力、塔顶位移方面二者结果比较吻合,在部分辅助墩内力、边跨主梁内力方面存在一定误差。总体来说,两种模型计算结果较为接近,均可用于实际工程抗震分析。
(5)采用时程分析法,对桩身受力进行了研究,研究发现:与双向地震输入相比,在三向地震输入主要对桩的轴力产生影响,因此在计算桩基础弯矩剪力响应值时可仅考虑双向地震输入;桥梁桩基础在地震作用下桩顶部分受力最大,随着土层深度的增加内力整体呈逐渐减小趋势,最终归于0。
(6)采用X-TRACT软件计算桩顶截面的弯矩曲率曲线,通过比较不同位置桩的屈服弯矩,发现群桩基础中其外围桩基的屈服弯矩要小于里层桩基的屈服弯矩,二者屈服弯矩相差可达30%,可见群桩基础中的外围桩在地震作用下更易先屈服。
(7)通过改变桩侧土体选取范围,研究了参震土质量对桥梁地震响应影响。研究发现:参震土质量会对桥梁桩基础受力产生影响,随着参震土范围增大桩身受力也会变大,但大于一倍桩径(2.8m)范围以后的参震土质量对桩顶受力影响逐渐减弱。对于桥梁上部结构而言,不同范围参震土对桥梁上部结构内力的影响误差均在10%左右,可见在进行桥梁上部结构抗震分析时,出于简单考虑可不计其影响。
(8)通过计算依托工程的地震响应,比较了采用不同阻尼计算模式(振型阻尼、瑞利阻尼、基于应变能理论的振型阻尼)时对其地震响应的差异,结果表明:不同的阻尼计算模式对桥梁各构件的地震响应结果有比较大的影响。对于主塔墩的内力和位移、主梁跨中内力而言,三者结果是比较吻合,误差均在10%,但对于辅墩内力、主梁边跨内力而言,三者存在差异,部分结果误差可达30%以上。
(1)由于结构自身构造特点,大跨径塔梁墩固结体系斜拉桥基本振型与一般大跨径斜拉桥有很大不同,考虑地基弹性约束得到的依托工程一阶自振周期为5.67s,基本振型为主塔横桥向对称振动。塔梁墩固结后,桥梁顺桥向刚度显著提高,顺桥向自振周期也大大减小,本文依托工程的顺桥向一阶自振周期减小到2.5s。
(2)通过改变地基对基础的约束刚度(完全刚性约束、不同大小弹性约束),研究了地基约束刚度对大跨径塔梁墩固结斜拉桥自振周期的影响。研究发现,当地基刚度在一定范围内变化时,地基约束强弱对全桥前几阶自振周期的影响较小,例如本桥按地基刚性约束和弹性约束计算得到的一阶自振周期最大相差仅2.4%。
(3)对于塔梁墩固结斜拉桥,其地震响应存在以下特点:一是由于主梁与塔墩固结,主梁的顺桥向地震力主要由两个主塔承担,主塔内力在塔梁固结处存在较大突变,二是由于构造特点,横桥向主梁地震力由各墩共同承担。三是塔梁固结后,地震作用下主梁及塔顶的顺桥向位移大大减小,但由于上塔柱刚度较弱,塔顶横桥向位移较大,这点在桥梁抗震设计时需要特别注意。
(4)通过对分层土弹簧模型和集中土弹簧模型全桥的地震响应比较,发现两种桩土相互作用模型对桥梁地震响应的影响存在部分差异,其中:在动力特性、主塔内力、塔顶位移方面二者结果比较吻合,在部分辅助墩内力、边跨主梁内力方面存在一定误差。总体来说,两种模型计算结果较为接近,均可用于实际工程抗震分析。
(5)采用时程分析法,对桩身受力进行了研究,研究发现:与双向地震输入相比,在三向地震输入主要对桩的轴力产生影响,因此在计算桩基础弯矩剪力响应值时可仅考虑双向地震输入;桥梁桩基础在地震作用下桩顶部分受力最大,随着土层深度的增加内力整体呈逐渐减小趋势,最终归于0。
(6)采用X-TRACT软件计算桩顶截面的弯矩曲率曲线,通过比较不同位置桩的屈服弯矩,发现群桩基础中其外围桩基的屈服弯矩要小于里层桩基的屈服弯矩,二者屈服弯矩相差可达30%,可见群桩基础中的外围桩在地震作用下更易先屈服。
(7)通过改变桩侧土体选取范围,研究了参震土质量对桥梁地震响应影响。研究发现:参震土质量会对桥梁桩基础受力产生影响,随着参震土范围增大桩身受力也会变大,但大于一倍桩径(2.8m)范围以后的参震土质量对桩顶受力影响逐渐减弱。对于桥梁上部结构而言,不同范围参震土对桥梁上部结构内力的影响误差均在10%左右,可见在进行桥梁上部结构抗震分析时,出于简单考虑可不计其影响。
(8)通过计算依托工程的地震响应,比较了采用不同阻尼计算模式(振型阻尼、瑞利阻尼、基于应变能理论的振型阻尼)时对其地震响应的差异,结果表明:不同的阻尼计算模式对桥梁各构件的地震响应结果有比较大的影响。对于主塔墩的内力和位移、主梁跨中内力而言,三者结果是比较吻合,误差均在10%,但对于辅墩内力、主梁边跨内力而言,三者存在差异,部分结果误差可达30%以上。