河床冲刷深度变化对大型桩基桥地震反应的影响

河床冲刷深度变化对大型桩基桥地震反应的影响

从高桩承台基础和桥梁结构动力相互作用的角度分析在大型越江和海陆桥梁的施工中，许多基础建设在深水中，河床磨损问题十分突出。苏通长江公路大桥为主跨1088m的斜拉桥,索塔采用钻孔灌注桩基础,桩长为117m,自然河床以上自由桩长18m,300年一遇最大冲刷深度27.2m(局部冲刷22.5m)。高桩承台基础是国内广泛采用的一种深基础形式,在桩基础的受力计算和结构设计中,必须考虑河床冲刷的影响。在静力分析中,一般进行偏安全地考虑,即根据设计洪水频率选取最大冲刷深度。在桥梁的地震反应分析中,如何考虑河床冲刷的影响却是一个非常困难的问题。河床冲刷深度的预测本身很复杂,而地震发生时,已经发生的冲刷情况更无法事先确定;另一方面,桥梁的抗震问题是一个动力问题,虽然河床冲刷使得基础的抗震能力变小,但河床冲刷同样会改变结构的动力特性,从而影响地震反应;更复杂的是,河床冲刷还会影响输入结构的地震动参数。因此,河床冲刷对大型桩基桥梁抗震性能的影响非常复杂,迄今为止,关于这一问题在国内外很少有相关的研究文献。因此,在实际桥梁工程的抗震研究中,如何偏安全地进行简化处理,一直是一个困扰桥梁工程科研人员和设计师的一个技术难题。采用高桩承台基础的大跨度桥梁中,有一个很重要的特点值得特别关注,那就是桩基承台的质量往往很大,在桥梁的全部质量中占相当大的比例,有的甚至超过了一半。在这种情况下,桩基承台的振动效应就不能忽略。文献指出,在极端情况下,当群桩基础(桩身和承台)的基本周期和桥梁结构(墩底固结)的基本周期相当时,会有桥梁结构和基础的动力相互作用问题,但文献没有进一步对这种相互作用进行分析。本文将以苏通长江公路大桥为背景,从高桩承台基础和桥梁结构的动力相互作用入手,分析河床冲刷深度的变化对桥梁结构(包括桩基础)地震反应的影响。苏通长江大桥建成后将成为世界第一的斜拉桥,主跨1088m,主梁全宽40.6m,高4.0m,采用全封闭扁平流线型钢箱梁。倒Y形钢筋混凝土索塔高297.7m,基础采用哑铃型变厚度承台和131根D2.8m/D2.5m变直径钻孔灌注桩基础,承台平面尺寸为113.75×48.1m。边墩包括近塔辅助墩、远塔辅助墩和过渡墩,墩身均采用分离的薄壁箱形空心墩,墩顶设纵向滑动球型钢支座。近塔辅助墩基础采用36根D2.8m/D2.5m变直径钻孔桩基础,承台平面尺寸52m×32.5m;远塔辅助墩、过渡墩基础均采用19根D2.8m/D2.5m变直径的钻孔灌注桩基础,承台平面尺寸43.2m×19.3m。本文的基本思路是,首先采用两质点模型近似模拟近塔辅助墩及其基础,用解析法分析河床冲刷深度变化对单墩地震反应的影响,进一步地,建立全桥有限元模型,分析冲刷深度变化对边墩、主塔及其基础地震反应的影响。1边墩地震反应的计算苏通大桥的边墩与主梁间设纵向滑动支座,且支座在恒载下所受竖向力很小,因此边墩的纵向地震反应可按单墩进行计算。本文首先以一个近塔辅助墩为例建立两质点模型进行地震反应分析。1.1地震反应计算高桩承台基础-桥墩体系可以简化为图1所示的两质点模型,其中,m1为等效的桥墩质量,m2为承台质量,k1为桥梁结构的水平抗推刚度,k2为群桩基础的水平刚度,l1为m1形心到承台顶的距离,l2为单桩的等效嵌固长度,h为承台厚度,P1和P2分别为两质点产生的地震惯性力。两质点模型的两阶面内振型如图2所示,对应的自振频率和振型坐标为:本文采用反应谱方法计算两质点模型的地震反应,采用规范反应谱作为地震输入。根据多自由度系统反应谱计算的振型分解法,可得两阶振型的振型参与系数为:两阶振型引起的两质点的最大地震惯性力分别为:式中:Kh为规范规定的水平地震系数;β1、β2为两阶振型对应的动力放大系数。每个振型引起的墩顶位移Δi、墩底剪力Vi及弯矩Mi、承台底剪力V′i及弯矩M′i(i=1,2)分别为:采用SRSS组合方法,便可求出各项地震反应。为了便于分析高桩承台基础和桥梁结构的动力相互作用规律,本文用数学工具MATLAB编制了一个程序,以画出结构各项地震反应随桩基刚度变化而变化的规律。1.2两电解质模型的地震反应分析苏通大桥近塔辅助墩高60m,纵向抗推刚度为47080.37kN/m,根据规范中动能相等原则把墩身等效为单质点,质点质量为1084t。承台质量为38647t,采用36根D2.8m/D2.5m变直径钻孔桩,为了便于分析河床冲刷深度变化对结构地震反应的影响规律,本文用桩身等效嵌固长度(l2)的变化来直观表达群桩基础的刚度变化:式中:E2,I2分别为桩身弹性模型、抗弯惯矩。本节不考虑河床冲刷深度变化对地震输入的影响,统一采用规范四类场地反应谱(水平地震系数取0.1)作为地震输入,并采用本文编制的MATLAB程序进行了两质点模型的地震反应分析,重点分析了河床冲刷深度变化对桥墩和基础地震反应的影响。图3、图4分别绘出了墩顶位移和墩底弯矩随基础刚度变化的反应曲线。图中还同时绘出了桥墩(墩底固结)和群桩基础(桩身加承台)自振周期的变化曲线。从图中可以看出,由于承台大质量的存在,桥墩的反应违反了单质点体系的地震反应规律(随着刚度的减小,位移单调增加,而弯矩单调减小),很醒目地出现了一个峰值,而这个峰值正好出现在桥墩和基础的自振周期相近的地方。这是由桥墩和承台的一种共振效应引起的。墩身的振动一部分是自身的振动,另一部分是承台振动引起的振动,随着桩身等效嵌固深度的不断增加,当承台的自振周期和桥墩的自振频率相等时,桥墩跟承台产生共振,致使地震反应产生峰值。图5、图6则显示了承台底剪力和弯矩随基础刚度变化的反应曲线,图中同样同时绘出了桥墩(墩底固结)和群桩基础(桩身加承台)自振周期的变化曲线。从图中可以看出,承台底剪力和弯矩的变化规律与桥墩的不同,表现得更加不规则,原因是承台底剪力和弯矩是由桥墩、承台两个质点的地震惯性力所贡献的。前面所述的共振效应主要是影响桥墩质点的地震惯性力大小,而对承台质点的地震惯性力没多大影响。由于承台底的剪力主要取决于承台质点的地震惯性力,所以共振现象虽然出现在一个低谷处(第二振型两质点地震惯性力反向),但不明显;承台底弯矩主要取决于桥墩质点的地震惯性力,所以有明显的共振现象。1.3期与桥墩自振周期的关系由图3~图6可知,在地震输入保持不变的情况下,河床冲刷深度变化对桥墩地震反应的影响,还与无冲刷时基础的自振周期与桥墩自振周期的相对关系有关。当无冲刷时基础的自振周期大于桥墩的自振周期时,随着冲刷深度的增大,桥墩及其基础的地震内力逐渐变小;反之,桥墩及其基础的地震内力先是逐渐增大,到达一个峰值,然后逐渐变小。苏通大桥的北近塔辅助墩,无冲刷时的等效嵌固深度近24m,所以,桥墩及其基础的地震内力先是逐渐增大,到达一个峰值,然后逐渐变小。2河床磨损深度影响大桩基桥地震反应的例子分析2.1垂度效应和恒载引起的几何刚度以苏通大桥为背景工程,建立一个三维有限元模型进行地震反应分析。其中,主梁、塔、边墩用梁单元模拟,考虑恒载轴力引起的几何刚度的影响,主梁节点和斜拉索吊点主从相连;斜拉索用桁架单元模拟,但考虑垂度效应和恒载引起的几何刚度的影响;主梁与主塔纵向相对自由,横向主从;主梁与边墩纵向相对自由,横向主从。关于群桩基础的动力计算模型,国内外很多学者进行了研究,文献[2,4-5]对各种实用的桩基计算模型进行了综述和研究。本文选用最为简单直观的嵌固模型(桩身在冲刷线以下一定深度嵌固)近似模拟群桩基础的动力性能,由于各群桩基础桩数很多,本文进行了并桩处理。桩身在冲刷线以下的嵌固深度H,根据群桩中的单桩水平刚度等效的原则来确定。至于嵌固模型和并桩处理的方法和合理性,参见文献。为了分析河床冲刷深度变化对桥梁地震反应的影响,本文在进行抗震计算时考虑了6种冲刷的标高值,见表1。2.2反应谱计算及参数值对比本文采用反应谱法进行地震反应分析,输入反应谱采用桥梁抗震规范中的标准形式:式中:T1为反应谱平台段起始周期,s;βmax为反应谱最大值;Tg为特征周期,s;k为下降指数。根据反应谱计算结果,当反应谱值β(T)<0.1时,取β(T)=0.1,T为周期,s。在地震反应分析中,桥梁各支承处采用一致输入,各冲刷工况输入的地震动参数均采用北塔对应冲刷高程处的参数值。桥址场地地震安评报告提供的、北塔位置2500年地震重现期、不同高程处的设计峰值加速度及反应谱参数见表2,对应的阻尼比为5%。2.3不同冲刷深度的特性本文采用反应谱方法详细计算了河床冲刷深度变化对桥梁地震反应的影响。地震输入方式为纵桥向和竖向同时输入,计算了前400阶振型的贡献,振型组合采用CQC方法,方向组合采用SRSS方法。为了进一步验证前述两质点单墩模型所得到的结论,表3列出了北近塔辅助墩及其基础的最大地震内力随河床冲刷深度变化的情况,其中,RQ、RM分别代表发生各冲刷深度时的剪力、弯矩与无冲刷时的比值。由表3可见,墩底剪力、弯矩随河床冲刷深度的变化规律是一致的,出现了一个峰值,与图4所反映的规律也一致;承台底剪力、弯矩随河床冲刷深度的变化规律,也分别与图5、图6一致,剪力没有出现峰值,而弯矩出现了峰值。表4则列出了在不同冲刷深度下,北塔底及其基础承台底截面的最大地震内力随河床冲刷深度变化的情况。从表中结果可以看出,北塔底和承台底的弯矩出现了一个峰值,而剪力随着冲刷深度的增大,地震内力逐渐减小。需要说明的是,主塔及其基础的地震反应与单墩模型相比,更为复杂,因为主塔由多阶振型的贡献组成,不能简化为单自由度体系,剪力和弯矩的控制振型还不一样。另外,地震反应峰值的大小,还与承台的质量有非常大的关系。可见,用有限元模型得出的结论和两质点的单墩模型是一致的,首先,河床冲刷深度的变化对桥梁的地震内力反应有很显著的影响,其次,河床冲刷深度对桥墩地震反应的影响,还与无冲刷时基础的自振周期与桥墩自振周期的相对关系有关。3动力相互作用本文以苏通大桥为背景,通过局部单墩模型和全桥模型的地震反应分析,初步探讨了河床冲刷深度变化对桥梁地震反应的影响,结果表明:(1)在大型桩基桥梁中,由于承台大质量的存在,高桩承台基础和桥梁结构之间存在显著的动力相互作用现象;(2)对于单墩模型,桥墩的地震反应表现出显著的共振效应,当桥墩和基础的自振周期相近时,会出现一个峰值,承台底剪力的共振效