斜拉-悬索协作体系桥基于桩-土-结构相互作用的地震响应研究
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一
悬索协作体系桥的静动力特性作了一定 的研究。 桥梁结构 中， 桩基础是广泛采用的基础形式之
。
●
●
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一
大量的震害资料表 明， 一 土 结构相互作用是导
冲刷线
●
●
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致桩 基震 害 的主 要 原 因 之 一 。 因此 ， 桩 基 础 刚性 在
●
一
●
●
结构 的地震反应分析 中， 应考虑土 与结构 的相互作 用， 有关的研究成果很多。本文 以大连湾跨海大桥 方案为背景 ， 采用等效嵌 固模式模拟土 一 一结构 桩 相互作用 ， 对地锚式 、 自锚式斜拉 一 悬索协作体系桥 的 自振特 性 、 地震 响应 进行 了分 析 和对 比 ， 研究 结 果 对该类型桥梁的抗震设计提供 了一定的理论依据 。
重点研 究 了桩 一土 一结构相 互作 用下斜拉 一悬索协作体 系桥 的地震响应 ， 分析结果表 明 自锚 式体 系的加 劲梁与主
塔 的纵向位移 、 塔底 、 主跨跨 中弯矩均 大于地锚 式体 系； 但加 劲梁竖向位 移、 主塔塔底轴力则 小于地锚式体 系。 关键词 ： 协作 体 系桥 ； 力特性 ； 一桩 一结构相 互作 用； 动 土 地震响应
成 的桩 ， 图 ２所 示 ， 成 桩 的面 积 Ａ、 弯惯 矩 Ｉ 如 合 抗 、
主缆锚固在主梁上 ， 降低 了加劲梁的抗弯刚度 ， 促使
抗扭惯矩 Ｉ是各单桩的面积、 抗弯惯矩 、 抗扭惯矩 之和。这种模式 比较简单 ， 所用单元和节点数很少， 而且 只与场 地土 划 分层 数 有 关 ， 群 桩所 含 单 桩 数 与
墩 擞 ＋ Ｈ
…
一
… ～
～
∞ 舯
ｇ ， 唇 ｄ毒毒州 需器 ３漤 ｜吾吾 ｍ Ｏ ∞ 船
大提高计算效率。采用等效嵌 固模型。建立单桩有 限元模型 ， 根据地质资料和方案图纸计算得到相关 数据 见表 １ 。
表 １ 桩截面 特性 表
图 ３ 加劲梁主跨跨 中纵 向位移时程
摘
１６ ２ ） ０３ １
要： 以大连 湾跨 海大桥 协作体 系桥方案为研 究对 象， 基于大型有 限元分析软 件 Ａ Ｓ Ｓ建立 了该桥 的三维 ＮＹ
有限元模 型 ， 用等效嵌 固模 型模 拟 了土 一桩 一结构 的相 互作 用， 采 以此为基础对该 方案桥 的 自振特 性进行 了分析 ，
桩一 一 土 结构相互作用时 ， 由于主缆锚固条件 的不 同 ， 图 ３～图 ８可 以发 现 ： 从 由于主 缆 直接 锚 固 在 主梁 上 ， 劲梁 承受 主缆较 大 的水平 分力 ， 加 因此 减
小 了加 劲梁 的竖 向位移 ， 却增 加 了主塔 的纵 向位移 ；
了大量的参数研究 ， 将整个群桩结构浓缩 为一根合
（ 当于单桩 的水 平抗 推 刚度 ）１ 相 ； 。为桩 在 冲刷 线 或 地 面线 以上 的长度 。
斜拉 一 悬索协作体系桥是斜拉桥和悬索桥的组 合体系 ， 二者之间具有很强的互补性 ， 将二者结合起 来可以取长补短 ， 能更有效地适应某些特殊情 况下 桥位的需要 ， 文献 ［ ］～［ ］ １ ６ 对地锚式 、 自锚式 斜拉
第 １ 期 １
北 方 交 通
・ ３・ ５
斜 拉 一悬索 协 作体 系桥 基 于桩 一土 一结构
相 互 作 用 的 地 震 响 应 研 究
石 磊
（． １ 大连 理工大学土木建筑设计研究 院有 限公 司 ， 大连 １６ ２ ；． ０ ３２ 大连理工大学土木工程学院 ， １ 大连
无关 ， 因此 ， 群桩 桩数越 多 ， 优越 性越 明显 。 其 利 用简 化 的并 桩模 式得 到 的地 震反 应结 果误 差
匣 岳
量
很小 ， 而且可以大大节省计算工作量 ， 在大跨度桥梁
动 力分 析 中利用并 桩模 式可 以在 只增加 少量 单元 的 条 件下 ， 进行 上部 结构 和群桩 基一 体 的动力分 析 ， 大
浮
然而对 于大型的高桩承台而言 ， 桩的数量往往
・
５ ４・
北 方 交 通
见 图 ３～图 ８ 。
２１ ０１
很多 ， 长也通 常很 长 ， 么将 会涉 及到很 多 土弹簧 桩 那 的模 拟 ， 这样会 大 大增加模 型 的复杂 性 ， 费计 算 时 耗 间 。为 了进 一 步简 化 群桩 模 型 ， 种 很 自然 的思 路 一 是将 桩基 础进 行 合 并 。有 文献 ¨ 副对 并 桩 模 式 进 行
计算分析过程 ， 如图 ｌ 所示。一般认为 ， 对于动力问 题， 桩在 冲刷 线 以下 的嵌 固深 度 Ｈ， 实际 上更 为合 理 的是根据单桩的水平刚度等效 的原则来确定 。但许 多桩基础的计算分析表明 ， 根据单 桩水平 刚度等效 的原则确定的嵌 固深度 Ｈ仍然处于 ３ ５ ～ 倍直径范
中图分类号 ： ４ ８２ ；Ｕ ｌ ． Ｕ ４ ．９ Ｔ ３ １３
文献标 识码 ： Ｂ
文章编号 ：６ ３— ０ ２ ２ １ ） １ ０ ５ ０ １ ７ ６ ５ （０ １ １ — ０ ３— ３
１ 引 言
其中， Ｉ Ｅ 为单桩的抗弯惯矩 ；： Ｐ 为当一根桩桩 顶处仅产生单位水平位移时 ， 在桩顶引起 的水平力
２ 桩 一土 一结构 相互 作用模 型 的建 立
２ １ 桩 基础 的模 拟 ．
输． ｏ Ｋ６ຫໍສະໝຸດ Baidu
（ ） 面图 ａ 立
●
●
●
（ 平 面图 ｂ）
图 １ 等效嵌固模型
对于高桩承 台， 工程界常用 的一种简化方法是
将 桩在 冲刷 线 以下 ３— ５倍 直 径 处 嵌 固 ， 简 化 来
一
， ｎ 、１ 厂 ， 二 ＝ ＝
工 Ｉ
输 入６ ０
（ ）立面 图 ａ
Ｎ Ｉ ＝ 为 Ｎ 桩 ‘ 。 １ 数 Ｉ ｔ ０ Ａ ｏ
（ ） 面图 ｂ 平
围内。在不考虑桩与桩之间所产生 的群桩效应 时 ， 般嵌 固深 度 Ｈ 的数学 表达 式为 ：
Ｈ＝
图 ２ 等效嵌 固模型之并桩模型
２ ２ 动 力特性 分析 ．
基 于 以上 论述 ， 分别 建 立 了大 连 湾跨 海 大 桥地
悬索协作体系桥的静动力特性作了一定 的研究。 桥梁结构 中， 桩基础是广泛采用的基础形式之
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一
大量的震害资料表 明， 一 土 结构相互作用是导
冲刷线
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致桩 基震 害 的主 要 原 因 之 一 。 因此 ， 桩 基 础 刚性 在
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结构 的地震反应分析 中， 应考虑土 与结构 的相互作 用， 有关的研究成果很多。本文 以大连湾跨海大桥 方案为背景 ， 采用等效嵌 固模式模拟土 一 一结构 桩 相互作用 ， 对地锚式 、 自锚式斜拉 一 悬索协作体系桥 的 自振特 性 、 地震 响应 进行 了分 析 和对 比 ， 研究 结 果 对该类型桥梁的抗震设计提供 了一定的理论依据 。
重点研 究 了桩 一土 一结构相 互作 用下斜拉 一悬索协作体 系桥 的地震响应 ， 分析结果表 明 自锚 式体 系的加 劲梁与主
塔 的纵向位移 、 塔底 、 主跨跨 中弯矩均 大于地锚 式体 系； 但加 劲梁竖向位 移、 主塔塔底轴力则 小于地锚式体 系。 关键词 ： 协作 体 系桥 ； 力特性 ； 一桩 一结构相 互作 用； 动 土 地震响应
成 的桩 ， 图 ２所 示 ， 成 桩 的面 积 Ａ、 弯惯 矩 Ｉ 如 合 抗 、
主缆锚固在主梁上 ， 降低 了加劲梁的抗弯刚度 ， 促使
抗扭惯矩 Ｉ是各单桩的面积、 抗弯惯矩 、 抗扭惯矩 之和。这种模式 比较简单 ， 所用单元和节点数很少， 而且 只与场 地土 划 分层 数 有 关 ， 群 桩所 含 单 桩 数 与
墩 擞 ＋ Ｈ
…
一
… ～
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∞ 舯
ｇ ， 唇 ｄ毒毒州 需器 ３漤 ｜吾吾 ｍ Ｏ ∞ 船
大提高计算效率。采用等效嵌 固模型。建立单桩有 限元模型 ， 根据地质资料和方案图纸计算得到相关 数据 见表 １ 。
表 １ 桩截面 特性 表
图 ３ 加劲梁主跨跨 中纵 向位移时程
摘
１６ ２ ） ０３ １
要： 以大连 湾跨 海大桥 协作体 系桥方案为研 究对 象， 基于大型有 限元分析软 件 Ａ Ｓ Ｓ建立 了该桥 的三维 ＮＹ
有限元模 型 ， 用等效嵌 固模 型模 拟 了土 一桩 一结构 的相 互作 用， 采 以此为基础对该 方案桥 的 自振特 性进行 了分析 ，
桩一 一 土 结构相互作用时 ， 由于主缆锚固条件 的不 同 ， 图 ３～图 ８可 以发 现 ： 从 由于主 缆 直接 锚 固 在 主梁 上 ， 劲梁 承受 主缆较 大 的水平 分力 ， 加 因此 减
小 了加 劲梁 的竖 向位移 ， 却增 加 了主塔 的纵 向位移 ；
了大量的参数研究 ， 将整个群桩结构浓缩 为一根合
（ 当于单桩 的水 平抗 推 刚度 ）１ 相 ； 。为桩 在 冲刷 线 或 地 面线 以上 的长度 。
斜拉 一 悬索协作体系桥是斜拉桥和悬索桥的组 合体系 ， 二者之间具有很强的互补性 ， 将二者结合起 来可以取长补短 ， 能更有效地适应某些特殊情 况下 桥位的需要 ， 文献 ［ ］～［ ］ １ ６ 对地锚式 、 自锚式 斜拉
第 １ 期 １
北 方 交 通
・ ３・ ５
斜 拉 一悬索 协 作体 系桥 基 于桩 一土 一结构
相 互 作 用 的 地 震 响 应 研 究
石 磊
（． １ 大连 理工大学土木建筑设计研究 院有 限公 司 ， 大连 １６ ２ ；． ０ ３２ 大连理工大学土木工程学院 ， １ 大连
无关 ， 因此 ， 群桩 桩数越 多 ， 优越 性越 明显 。 其 利 用简 化 的并 桩模 式得 到 的地 震反 应结 果误 差
匣 岳
量
很小 ， 而且可以大大节省计算工作量 ， 在大跨度桥梁
动 力分 析 中利用并 桩模 式可 以在 只增加 少量 单元 的 条 件下 ， 进行 上部 结构 和群桩 基一 体 的动力分 析 ， 大
浮
然而对 于大型的高桩承台而言 ， 桩的数量往往
・
５ ４・
北 方 交 通
见 图 ３～图 ８ 。
２１ ０１
很多 ， 长也通 常很 长 ， 么将 会涉 及到很 多 土弹簧 桩 那 的模 拟 ， 这样会 大 大增加模 型 的复杂 性 ， 费计 算 时 耗 间 。为 了进 一 步简 化 群桩 模 型 ， 种 很 自然 的思 路 一 是将 桩基 础进 行 合 并 。有 文献 ¨ 副对 并 桩 模 式 进 行
计算分析过程 ， 如图 ｌ 所示。一般认为 ， 对于动力问 题， 桩在 冲刷 线 以下 的嵌 固深 度 Ｈ， 实际 上更 为合 理 的是根据单桩的水平刚度等效 的原则来确定 。但许 多桩基础的计算分析表明 ， 根据单 桩水平 刚度等效 的原则确定的嵌 固深度 Ｈ仍然处于 ３ ５ ～ 倍直径范
中图分类号 ： ４ ８２ ；Ｕ ｌ ． Ｕ ４ ．９ Ｔ ３ １３
文献标 识码 ： Ｂ
文章编号 ：６ ３— ０ ２ ２ １ ） １ ０ ５ ０ １ ７ ６ ５ （０ １ １ — ０ ３— ３
１ 引 言
其中， Ｉ Ｅ 为单桩的抗弯惯矩 ；： Ｐ 为当一根桩桩 顶处仅产生单位水平位移时 ， 在桩顶引起 的水平力
２ 桩 一土 一结构 相互 作用模 型 的建 立
２ １ 桩 基础 的模 拟 ．
输． ｏ Ｋ６ຫໍສະໝຸດ Baidu
（ ） 面图 ａ 立
●
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（ 平 面图 ｂ）
图 １ 等效嵌固模型
对于高桩承 台， 工程界常用 的一种简化方法是
将 桩在 冲刷 线 以下 ３— ５倍 直 径 处 嵌 固 ， 简 化 来
一
， ｎ 、１ 厂 ， 二 ＝ ＝
工 Ｉ
输 入６ ０
（ ）立面 图 ａ
Ｎ Ｉ ＝ 为 Ｎ 桩 ‘ 。 １ 数 Ｉ ｔ ０ Ａ ｏ
（ ） 面图 ｂ 平
围内。在不考虑桩与桩之间所产生 的群桩效应 时 ， 般嵌 固深 度 Ｈ 的数学 表达 式为 ：
Ｈ＝
图 ２ 等效嵌 固模型之并桩模型
２ ２ 动 力特性 分析 ．
基 于 以上 论述 ， 分别 建 立 了大 连 湾跨 海 大 桥地