不同布桩形式对桥墩地震响应的影响

母渤海

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司十院，甘肃兰州 730000）

0 前言

桥梁工程是重要的生命线工程，5·12汶川大地震中，大量桥梁在地震中损坏，严重影响了抗震救灾。5·12地震后，随着《公路桥梁抗震设计细则》的推出，桥梁抗震被提到了前所未有的高度，在实际工程设计中抗震计算也成为重点计算的一个环节。目前抗震计算的主要方法有反应谱法、时程分析法及功率谱法。在建模过程中对群桩基础的模拟又分为集中质量法、在冲刷线以下一定深度固接及用6根弹簧模拟桩基础的作用（6弹簧模型）三种方法。实际工程设计中对于比较简单的结构，由于反应谱法及6弹簧模型的组合既能满足计算精度要求且计算简便、计算速度快，得到了广泛的应用。本文以反应谱法和6弹簧模型的组合为基础，以兰州市中心滩大桥北引桥为例，通过有限元模拟分析了桥梁桩基不同布桩形式下、不同桩基刚度下对桥墩内力的影响。提出在对桥梁抗震分析中，盲目地增加或减少桩基刚度、桩基数量，以及不合理的桩基布置，都不能充分发挥桥墩的承载力。本文通过桥梁顺桥向、横桥向综合分析，得出合理的桩基布置思路，可为桥梁抗震设计工作提供有益的参考。

1 模型简介

中心滩黄河大桥位于甘肃省兰州市，项目是连接城关中心区与盐场分区的一条交通性次干道，桥梁全长约400 m，主桥为中承式钢拱桥，南北引桥为预应力钢筋混凝土连续梁桥。其中北引桥跨度为40 m+40 m+30m，上部结构采用等截面连续梁，桥梁宽度16 m，梁高2.0 m，下部结构采用双柱式墩桥，钻孔灌注桩基础，桥墩截面为1.5 m×1.5 m矩形墩，墩柱中心距7.5 m。

抗震计算过程中，考虑到不同桩基布置形式下桥墩的地震响应不同，对以下五种桩基布置方案（见图1）进行分析对比：

（1）对双柱式桥墩每个墩柱下各设一个承台，两个承台相互分离，每个承台下设4根直径1.5 m的钻孔灌注桩基础。

（2）对双柱式桥墩每个墩柱下各设一个承台，两个承台相互分离，每个承台下沿桥梁顺桥向设2根直径1.5 m的钻孔灌注桩基础。

（3）对双柱式桥墩每个墩柱下各设一个承台，两个承台相互分离，每个承台下沿桥梁横桥向设2根直径1.5 m的钻孔灌注桩基础。

（4）对双柱式桥墩两个墩柱下共用一个通长的承台，承台下沿桥梁横桥向设置4根直径1.5 m的钻孔灌注桩基础。

（5）对双柱式桥墩两个墩柱下共用一个通长的承台，承台下沿桥梁横桥向设置3根直径1.8 m的钻孔灌注桩基础。

2 地震力的输入

该项设计采用反应谱法进行抗震计算。阻尼比为0.05的水平设计加速度反应谱S由下式确定：

水平设计加速度反应谱最大值Smax由下式确定：

其中，Ci为抗震重要性系数；Cs为场地系数；Cd为阻尼调整系数；A为水平向设计基本地震动加速度峰值。

图1 桩基布置图（单位：cm）

根据工程实际情况得到E1和E2地震作用下水平设计加速度反应谱，见图2、图3所示。

图2 E1地震作用下水平设计加速度反应谱

3 不同布桩方式下桥墩内力分析

根据图1五种布桩方式可以看出，在边界条件相同的情况下，五种方案中基础沿桥纵向抗推刚度K1＞K2＞K5＞K4＞K3，基础沿桥横向抗推刚度K4＞K5＞K1＞K3＞K2。从材料用量来看，方案2、3、4、5材料用量相当，方案1材料用量最大。

图3 E2地震作用下水平设计加速度反应谱曲线图

根据五种布桩方式，图4、图5分别给出了在E1、E2双重水准下各种工况的桥墩的弯矩和剪力响应分析。

图4 E1作用下不同布桩方式的桥墩地震响应曲线图

方案1的基础布置沿桥墩中心对称，基础的抗推刚度横桥向的明显大于顺桥向的。由图4、图5可以看出，对于方案1，顺桥向地震力下的内力明显大于横桥向地震力下的内力。另外，在恒载和顺桥向地震下组合作用下，不管E1还是E2作用下，墩底的弯矩和剪力都有相同的规律①＞②＞⑤＞④＞③；同时，在恒载和横向地震组合作用下，不管E1还是E2作用下，墩底的弯矩和剪力亦都有相同的规律④＞⑤＞①＞③＞②。分析结果与前述基础的抗推刚度刚度大小对应。由此可以看出基础的刚度直接影响桥墩的内力，基础抗推刚度越大，墩底内力地震响应越大，基础抗推刚度越小，墩底内力地震响应越小。但分析中发现，墩底内力地震响应的减少是以墩顶位移增加为代价的，而实际中，墩顶位移都有一定的限值。因此，设计中不能盲目地以减少墩底响应为目标而降低基础刚度。

图5 E2作用下不同布桩方式的桥墩地震响应曲线图

另外，由图4、图5还可以看出，方案3顺桥向和横桥向地震力的作用下，墩底地震响应最为接近，对矩形截面桥墩，能充分发挥其极限承载力。因此，在材料用量相当，桥墩极限承载力和墩顶位移都满足要求的前提下，优先选择方案3做推荐方案。

4 结论

通过不同布桩形式下桥墩地震内力相应的分析看出，一般桥梁在地震作用下，墩底内力和墩顶位移地震响应和基础抗推刚度有着密切联系。基础抗推刚度越大，桥墩在地震力作用下产生的内力也越大；反之，基础抗推刚度越小，桥墩在地震力作用下产生的内力也越小。但墩底内力地震响应的减少是以墩顶位移增加为代价的。

针对设计中桥墩截面形式大都为矩形、圆形等中心对称图形，为了能充分发挥桥墩承载力，通常使桥墩沿顺桥向和横桥向地震内力响应接近。这一点可以通过适当加大基础横桥向刚度，减小基础顺桥向刚度反复试算来调整实现。

总之，桥梁抗震分析是个复杂的问题，希望通过本文的分析为工程设计人员提供一定的参考。

[1]JTG/TB02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

[2]叶爱君.桥梁抗震[M].北京：人民交通出版社,2008.

[3]陈惠发，等.桥梁工程抗震设计[M].北京：机械工业出版社,2007.

[4]刘伟岸，等.大跨度桥梁桩基抗震简化模式的分析与探讨[J].结构工程师,2007,（2）.

[5]李黎，等.桩-土-桥相互作用对隔震连续梁桥地震相应的影响[J].工程抗震与加固改造,2010,（2）.