深软场地上考虑土-结构相互作用的斜拉索地震反应分析

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摘要：结合某一重大桥梁工程，选取两种深软场地，在合理模拟深软场地非线性基础上讨论土-结构动力相互作用对斜拉索地震反应的影响。利用软件ABAQUS建立了深软场地-桩基-斜拉桥三维有限元模型，作为对比，建立了深软场地上不考虑土-结构动力相互作用的常规刚性地基模型，通过时程分析法计算顺桥向斜拉索地震反应。计算结果表明：深软场地上考虑土-结构动力相互作用后，斜拉索应力反应普遍增大，拉索地震反应规律与地震波输入有关，设计时应考虑土-结构动力相互作用。

关键词：深软场地；斜拉索；地震反应

引言

大跨径斜拉索的拉索具有很小的刚度和阻尼,拉索往往具有很低的固有频率和极低的模态阻尼比,在地震激励下极易发生意想不到的大幅振动。目前,拉索的地震反应已成为斜拉桥亟待研究解决的关键问题之一,但目前所有的斜拉索研究都是基于不考虑土-结构动力相互作用的刚性地基假设，这种假设在地基情况良好时比较符合实际，但是在软弱地基时与实际情况相差较大。本文主要对软弱地基上斜拉索地震反应进行讨论，并与刚性地基假设的计算结果做对比，得出一些有益结论。

1.工程背景

该斜拉桥为三跨全飘浮体系（141 m +345 m +141m），双塔双索面钢箱梁斜拉桥。大桥设计安全等级为一级，桥梁设计基准期为 100年，主梁截面为抗风性能良好的扁平式钢箱梁，梁高3.2 米，宽 23.5 米。索塔为门形塔，塔高140 米，塔柱设置两道横梁，塔柱均为空心薄壁结构。每个主塔基础各由128根 C25钢筋混凝土嵌岩桩组成。全桥共130根斜拉索，采用半平行钢丝索，主桥布置见图1。

图1 主桥布置图

桥址场地在地貌上主要属于长江漫滩相或湖沼相沉积，为典型深软场地。场地竖向剖面第一层是耕土、塘泥或填土，其下沉积物的粒径在竖向剖面上由细变粗。

2.计算模型和动力特性分析

斜拉桥的桥面系模型可采用单梁式、双梁式或三梁式模型。这些模型能准确计算斜拉桥纵向反应，但不能准确计算竖向地震反应，故本文采用实体单元模拟桥面系。斜拉索部分采用三维杆单元模拟，并以Ernst切线模量考虑垂度的影响。全桥共91623个单元，356374个节点。斜拉桥模型见图2（常规刚性地基模型）。土体模型采用记忆型嵌套面动力粘塑性本构模型，并按照群桩等效刚度原则，将主塔下群桩合并成32根等效桩。桩-土-斜拉桥模型见图3（柔性地基模型）。

研究斜拉桥的自振特性是进行地震反应分析的基础。文献[3]列出了斜拉桥前10阶自振周期及振型特点。从中可见，本桥基本周期为6.88s，属长周期，符合漂浮体系斜拉桥特征。

3.地震反应及结果分析

3.1抗震水准与地震动输入

本桥为重大建设工程，按照抗震设防原则采用100年超越概率3%的概率水平下的地震动参数进行抗震设计。根据场地地震安全评价报告，100年超越概率3%的基岩水平地震动峰值加速度为0.154g。本文选取El centro波输入。对柔性地基模型，将地震波峰值调整为0.154g，从基岩输入；对刚性地基模型，首先由基岩地震动正演得到对应的地表地震动，再将地表地震动从斜拉桥墩底输入。基岩地震动时程与正演得到的地表地震动时程见文献[3]。本文选取的两种深软场地剖面资料见表1。

3.2顺桥向地震结果分析

本文工况：Ⅲ类场地上考虑相互作用记为Ⅲ-el-ssi，Ⅲ类场地上不考虑相互作用记为Ⅲ-el-nossi；Ⅳ类场地上考虑相互作用记为Ⅳ-el-ssi, Ⅳ类场地上不考虑相互作用记为Ⅳ-el-nossi。

拉索是长细比很大，阻尼比又非常小的构件，在地震荷载下极易发生振动。拉索的振动将使其根部出现反复的弯曲应力而导致疲劳破坏，因此应予以关注。为了方便叙述，将拉索编号：从边跨到桥塔拉索编号为C1～C21，从桥塔到中跨跨中拉索编号为 C22～C41，如图4所示。图5是地震波纵向输入时半桥下锚端拉索轴向应力峰值图。从中可见：a）由于拉索长度、倾角的关系，边墩附近拉索应力峰值大于桥塔附近拉索应力峰值，当向跨中接近时，拉索应力峰值又明显增大；b）三种地震动荷载作用下，除个别拉索外，有土存在时拉索应力峰值普遍大于无土时拉索应力峰值。 这是因为桥面系的惯性力是通过拉索传递到桥塔，进而传递到地基的。有土存在时桥面系惯性力增大，所以在拉索上产生的应力也将增大。

4.结论

本文针对某一斜拉桥工程，建立了考虑与不考虑土-结构动力相互作用的两种模型，并计算了顺桥向斜拉索地震反应，结果表明：

（1）考虑与不考虑动力相互作用的计算结果差别明显，按常规刚性地基模型不能准确反映软弱地基上斜拉索地震反应，需考虑土体-斜拉桥动力相互作用；

（2）考虑动力相互作用的斜拉索应力大于相应不考虑动力相互作用的斜拉索应力，增幅与具体输入地震动有关，设计时应考虑软弱地基的不利影响。

参考文献：

[1] 叶爱君，胡世德，范立础. 斜拉桥抗震结构体系研究[J].同济大学学报

2002，4 (22) : 35-39.

[2] 陈国兴，庄海洋. 基于Davidenkov骨架曲线的土体动力本构关系及其参数 研究[J].岩土工程学报，2005，27 (8) : 860-864.

[3] 张博，宰金珉，庄海洋. 深软场地上考虑土-结构相互作用的斜拉桥被动控制分析[J].世界地震工程，2009,1（25）