巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用對(duì)鋼管混凝土拱橋抗震性能的影響研究一、緒論1.1研究背景與意義鋼管混凝土拱橋憑借其強(qiáng)度高、跨越能力大、施工便捷、經(jīng)濟(jì)效果好以及橋型美觀等突出優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。自1990年我國(guó)第一座鋼管混凝土拱橋——四川旺蒼東河大橋建成以來，國(guó)內(nèi)已修建了200多座此類橋梁，如廣東南海三山西大橋、廣東丫髻沙大橋、重慶巫峽長(zhǎng)江大橋等，其跨徑不斷突破，形式持續(xù)創(chuàng)新，技術(shù)日益成熟。在一些巖溶地貌廣泛分布的地區(qū)，如我國(guó)西南地區(qū)，由于特殊的地質(zhì)條件，修建橋梁時(shí)不可避免地要面臨巖溶地基問題。巖溶地基是由可溶性巖石（如石灰?guī)r、石膏等）在自然水流的作用下形成的地下空洞或溶洞，具有不均勻的力學(xué)性能。在巖溶地區(qū)建設(shè)鋼管混凝土拱橋時(shí)，地基-基礎(chǔ)相互作用會(huì)對(duì)橋梁的抗震性能產(chǎn)生顯著影響。若不能準(zhǔn)確評(píng)估和處理這種相互作用，可能導(dǎo)致橋梁在地震作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的震害，如基礎(chǔ)沉降、傾斜，甚至橋梁坍塌，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。以1976年的唐山大地震和2008年的四川汶川大地震為例，眾多橋梁在地震中遭受了嚴(yán)重破壞，這充分凸顯了研究橋梁抗震性能的重要性。對(duì)于鋼管混凝土拱橋而言，考慮巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用對(duì)其抗震性能的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義：一方面，有助于深入了解橋梁在地震作用下的真實(shí)受力狀態(tài)和變形機(jī)制，為橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供更科學(xué)、準(zhǔn)確的理論依據(jù)；另一方面，通過研究可以提出更有效的抗震措施和加固方法，提高橋梁在巖溶地區(qū)的抗震能力，保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，減少地震災(zāi)害帶來的損失。同時(shí)，這也對(duì)推動(dòng)巖溶地區(qū)橋梁建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的交流與發(fā)展具有積極的作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在巖溶地基特性研究方面，國(guó)外學(xué)者較早開展了相關(guān)工作。例如，一些學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)巖溶地區(qū)巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入分析，包括巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及土體的壓縮性、滲透性等。他們還利用數(shù)值模擬技術(shù)，研究巖溶洞穴的穩(wěn)定性以及巖溶地基在不同荷載條件下的變形和破壞模式。國(guó)內(nèi)對(duì)于巖溶地基的研究也取得了豐碩成果。研究人員通過大量的工程實(shí)踐，總結(jié)了巖溶地基的勘察方法和處理技術(shù)。如采用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法等地球物理勘探手段，對(duì)巖溶洞穴的位置、規(guī)模和形態(tài)進(jìn)行探測(cè)；在處理技術(shù)方面，提出了諸如灌漿法、強(qiáng)夯法、置換法等針對(duì)不同巖溶地基條件的處理措施。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還針對(duì)巖溶地基的承載特性進(jìn)行了理論研究，建立了一些考慮巖溶發(fā)育特征的地基承載力計(jì)算模型。關(guān)于地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用的研究，國(guó)外在理論和數(shù)值分析方法上處于領(lǐng)先地位。早在20世紀(jì)中葉，國(guó)外學(xué)者就開始關(guān)注結(jié)構(gòu)與地基之間的相互作用問題，并提出了一些經(jīng)典的理論模型，如文克爾地基模型、彈性半空間地基模型等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法、邊界元法等數(shù)值方法被廣泛應(yīng)用于相互作用問題的研究，能夠更加準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜的地基和結(jié)構(gòu)體系。國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。眾多學(xué)者對(duì)地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理進(jìn)行了深入探討，考慮了地基土的非線性、基礎(chǔ)與地基的接觸條件以及上部結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同工作等因素。通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)不同類型的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了研究，提出了一些適合我國(guó)國(guó)情的相互作用分析方法和設(shè)計(jì)建議。在鋼管混凝土拱橋抗震研究方面，國(guó)外主要側(cè)重于試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。通過對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件和拱橋模型進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究其在地震作用下的力學(xué)性能和破壞機(jī)制。利用先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件，建立精細(xì)化的有限元模型，考慮材料非線性、幾何非線性以及邊界條件等因素，對(duì)鋼管混凝土拱橋的地震響應(yīng)進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)對(duì)鋼管混凝土拱橋抗震的研究也在不斷深入。一方面，開展了大量的理論研究，建立了鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力分析模型，推導(dǎo)了相關(guān)的動(dòng)力方程，并對(duì)其動(dòng)力特性和地震響應(yīng)進(jìn)行了理論分析；另一方面，結(jié)合實(shí)際工程，進(jìn)行了許多數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、場(chǎng)地條件和地震波特性對(duì)鋼管混凝土拱橋抗震性能的影響。然而，當(dāng)前的研究仍存在一些不足之處。在巖溶地基與基礎(chǔ)相互作用對(duì)鋼管混凝土拱橋抗震影響的研究方面，雖然已經(jīng)取得了一定的成果，但研究還不夠系統(tǒng)和深入?，F(xiàn)有研究大多單獨(dú)考慮巖溶地基特性或地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用，較少將三者有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行全面分析。在數(shù)值模擬中，對(duì)于巖溶地基的模擬還不夠精確，不能很好地反映巖溶洞穴的復(fù)雜形態(tài)和分布特征對(duì)拱橋抗震性能的影響。此外，由于實(shí)際工程中巖溶地基條件的多樣性和復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究相對(duì)較少，缺乏足夠的實(shí)際數(shù)據(jù)來驗(yàn)證理論和數(shù)值分析結(jié)果。在鋼管混凝土拱橋抗震設(shè)計(jì)方法方面，雖然已經(jīng)提出了一些抗震設(shè)計(jì)建議，但尚未形成一套完善的、考慮巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上限制了鋼管混凝土拱橋在巖溶地區(qū)的建設(shè)和發(fā)展。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究的主要內(nèi)容圍繞巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用對(duì)鋼管混凝土拱橋抗震性能的影響展開，具體涵蓋以下幾個(gè)方面：巖溶地基特性分析：深入研究巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件，包括巖溶洞穴的分布規(guī)律、規(guī)模大小、形態(tài)特征以及巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)等。通過現(xiàn)場(chǎng)勘察、地質(zhì)鉆探、地球物理勘探等手段獲取第一手資料，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，如巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、土體三軸剪切試驗(yàn)等，對(duì)巖溶地基的特性進(jìn)行全面分析，為后續(xù)的相互作用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。模型建立：運(yùn)用有限元分析軟件，建立考慮巖溶地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用的鋼管混凝土拱橋三維數(shù)值模型。在建模過程中，合理模擬巖溶地基的復(fù)雜地質(zhì)條件，采用合適的單元類型和材料本構(gòu)模型來描述地基土、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。同時(shí)，考慮地基與基礎(chǔ)之間的接觸關(guān)系，以及基礎(chǔ)的埋深、尺寸等因素對(duì)相互作用的影響。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或已有研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，不斷優(yōu)化模型參數(shù)，確保模型能夠真實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。地震響應(yīng)分析：采用時(shí)程分析法和反應(yīng)譜分析法，對(duì)建立的模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析。輸入不同類型、不同強(qiáng)度的地震波，模擬鋼管混凝土拱橋在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，包括結(jié)構(gòu)的位移、加速度、內(nèi)力等。分析巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響規(guī)律，探討巖溶洞穴的位置、大小和數(shù)量等因素對(duì)橋梁抗震性能的影響程度。同時(shí)，研究不同基礎(chǔ)形式和加固措施對(duì)橋梁抗震性能的改善效果，為橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。參數(shù)敏感性分析：選取影響巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用和鋼管混凝土拱橋抗震性能的關(guān)鍵參數(shù)，如地基土的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角，巖溶洞穴的距基礎(chǔ)距離、直徑，以及拱橋的跨徑、矢跨比等，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。通過改變這些參數(shù)的值，觀察橋梁地震響應(yīng)的變化情況，確定各參數(shù)對(duì)橋梁抗震性能的敏感程度，找出對(duì)橋梁抗震性能影響較大的參數(shù)，為橋梁設(shè)計(jì)和施工中的參數(shù)選擇提供指導(dǎo)。本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究結(jié)果的科學(xué)性和可靠性：數(shù)值模擬：利用ANSYS、ABAQUS等大型有限元分析軟件，建立考慮巖溶地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用的鋼管混凝土拱橋數(shù)值模型，進(jìn)行地震響應(yīng)分析和參數(shù)敏感性分析。數(shù)值模擬方法能夠考慮復(fù)雜的幾何形狀、材料非線性和邊界條件，可對(duì)不同工況下的橋梁力學(xué)性能進(jìn)行全面分析，且具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。理論分析：基于彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等理論，推導(dǎo)考慮巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用的鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力方程，并對(duì)其動(dòng)力特性和地震響應(yīng)進(jìn)行理論分析。理論分析方法可以揭示結(jié)構(gòu)的力學(xué)本質(zhì)和相互作用機(jī)理，為數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究提供理論支持。案例研究：選取巖溶地區(qū)實(shí)際的鋼管混凝土拱橋工程作為案例，收集工程的地質(zhì)勘察資料、設(shè)計(jì)圖紙和施工記錄等，對(duì)橋梁的地震響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析。通過案例研究，將理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工程相結(jié)合，驗(yàn)證研究方法和結(jié)論的正確性，同時(shí)為實(shí)際工程的抗震設(shè)計(jì)和加固提供參考。二、巖溶地基特性與地震特點(diǎn)2.1巖溶地基的地質(zhì)特點(diǎn)巖溶地基是在特定地質(zhì)條件下形成的，其主要特征與可溶性巖石的溶蝕作用密切相關(guān)。巖溶地區(qū)常見的形態(tài)包括溶洞、溶溝、溶槽等。溶洞是地下水沿可溶性巖石的層面、節(jié)理或斷層進(jìn)行溶蝕和侵蝕而形成的地下空洞，其規(guī)模大小不一，小的溶洞直徑可能僅有數(shù)厘米，而大的溶洞直徑可達(dá)數(shù)十米甚至更大。溶洞的形狀也多種多樣，有圓形、橢圓形、不規(guī)則形等，其內(nèi)部可能存在石鐘乳、石筍、石柱等奇特的巖溶景觀。溶溝是地表水沿巖石表面流動(dòng)，由溶蝕、侵蝕形成的許多凹槽，深度一般在幾厘米到數(shù)米之間。溶溝之間的突出部分稱為石芽，石芽高度從幾十厘米到數(shù)米不等，形態(tài)各異，有的呈尖錐狀，有的呈柱狀。在一些巖溶地區(qū)，石芽密布，形成壯觀的石林景觀，如云南石林，其石芽高大挺拔，最高可達(dá)30米，是巖溶地貌的典型代表。溶槽則是溶溝進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大形成的較寬、較深的凹槽，寬度可達(dá)數(shù)米，深度也可達(dá)數(shù)米。形成巖溶地基的可溶性巖石主要有碳酸鹽類巖石、硫酸鹽類巖石和鹵鹽類巖石。其中，碳酸鹽類巖石分布最為廣泛，約占沉積巖總量的1/5-1/4。常見的碳酸鹽類巖石有石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等。石灰?guī)r主要由方解石組成，其溶解度相對(duì)較高，在巖溶作用中容易被溶蝕。白云巖主要由白云石組成，溶解度比石灰?guī)r略低。泥灰?guī)r則是含有一定量黏土礦物的石灰?guī)r，其巖溶發(fā)育程度相對(duì)較弱。中國(guó)碳酸鹽巖分布面積約334萬平方千米，約占國(guó)土面積的35%，主要集中在西南地區(qū)，如云南、貴州、廣西、四川、湖北等省份。這些地區(qū)氣候濕潤(rùn)，降水豐富，為巖溶作用的發(fā)生提供了充足的水源，使得巖溶地貌發(fā)育十分典型。硫酸鹽類巖石主要包括石膏、硬石膏和芒硝等，在中國(guó)各省、自治區(qū)、直轄市均有分布，其中山東、內(nèi)蒙古、青海、湖南、寧夏、西藏、新疆、安徽、山西等地是主要產(chǎn)地。鹵鹽類巖石如石鹽和鉀鹽等，在地表分布相對(duì)較少。不同類型的可溶性巖石，由于其化學(xué)成分和物理性質(zhì)的差異，在巖溶作用下的溶解速度和形成的巖溶形態(tài)也各不相同。例如，鹵鹽類巖石溶解度最高，巖溶發(fā)育速度較快，但因其分布有限，在工程建設(shè)中涉及較少；而碳酸鹽類巖石雖然溶解度相對(duì)較低，但由于其廣泛分布，成為巖溶地基研究和工程處理的重點(diǎn)對(duì)象。2.2巖溶地區(qū)地震特點(diǎn)巖溶地區(qū)由于其特殊的地質(zhì)條件，地震表現(xiàn)出與其他地區(qū)不同的特點(diǎn)。塌陷地震是巖溶地區(qū)較為常見的地震類型，其產(chǎn)生與巖溶洞穴的頂板塌陷密切相關(guān)。在巖溶發(fā)育過程中，地下溶洞不斷擴(kuò)大，當(dāng)溶洞頂板的承載能力無法承受上部巖土體的重量時(shí)，就會(huì)發(fā)生突然塌陷。這種塌陷會(huì)引發(fā)地面震動(dòng)，形成塌陷地震。例如，在廣西桂林地區(qū)，由于巖溶洞穴眾多，塌陷地震時(shí)有發(fā)生。當(dāng)溶洞頂板塌陷時(shí)，周圍巖土體的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生地震波，從而導(dǎo)致地面震動(dòng)。這種地震的震源深度通常較淺，一般在幾十米以內(nèi)，但其對(duì)地面建筑物的破壞作用卻不可小覷。由于震源淺，地震波傳播到地面時(shí)能量衰減較小，容易造成地面建筑物的損壞，如墻體開裂、地基下沉等。誘發(fā)地震也是巖溶地區(qū)地震的一個(gè)顯著特點(diǎn)，其往往與人類工程活動(dòng)密切相關(guān)。在巖溶地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的工程建設(shè)，如修建水庫(kù)、進(jìn)行地下采礦等，可能會(huì)改變地下巖體的應(yīng)力分布和地下水的流動(dòng)狀態(tài)，從而誘發(fā)地震。以水庫(kù)誘發(fā)地震為例，當(dāng)水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)水位上升，水壓增大，會(huì)對(duì)周圍巖體產(chǎn)生附加應(yīng)力。同時(shí)，水的滲入還會(huì)使巖體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，降低巖體的抗剪強(qiáng)度。在這些因素的綜合作用下，巖體可能會(huì)發(fā)生破裂和滑動(dòng)，從而引發(fā)地震。例如，在廣東新豐江水庫(kù)，自1959年蓄水以來，庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)明顯增強(qiáng)，誘發(fā)了多次地震，其中1962年發(fā)生的6.1級(jí)地震造成了嚴(yán)重的破壞。地下采礦活動(dòng)同樣可能誘發(fā)地震，采礦過程中大量巖體被采出，形成采空區(qū)，導(dǎo)致巖體應(yīng)力重新分布，當(dāng)應(yīng)力超過巖體的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)引發(fā)地震。巖溶地區(qū)還存在小震級(jí)高烈度的特殊地震現(xiàn)象。一般來說，地震的震級(jí)與烈度之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，震級(jí)越高，烈度越大。然而在巖溶地區(qū)，由于地下溶洞和溶蝕裂隙的存在，地震波在傳播過程中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的反射、折射和散射現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會(huì)使地震波的能量在局部地區(qū)聚集，導(dǎo)致地面的地震響應(yīng)增強(qiáng)，從而出現(xiàn)小震級(jí)高烈度的情況。例如，在云南個(gè)舊地區(qū)，曾發(fā)生過震級(jí)較小但烈度較高的地震。該地區(qū)巖溶發(fā)育，地下存在大量溶洞和溶蝕裂隙，地震波在傳播過程中，遇到這些巖溶空洞和裂隙時(shí)，會(huì)發(fā)生多次反射和折射，能量不斷在局部地區(qū)聚集，使得地面的震動(dòng)強(qiáng)度明顯增大，造成的破壞程度超出了該震級(jí)應(yīng)有的范圍。這種小震級(jí)高烈度的現(xiàn)象增加了巖溶地區(qū)地震災(zāi)害的復(fù)雜性和不確定性，給地震災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治帶來了更大的挑戰(zhàn)。2.3巖溶地基病害對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用的評(píng)估模型巖溶地基病害對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用的評(píng)估是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要綜合考慮多種因素，目前常用的評(píng)估模型主要包括地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估模型和基于數(shù)值模擬的評(píng)估模型。地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估模型主要用于對(duì)巖溶地基病害的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其分類較為多樣，常見的有定性評(píng)估模型、半定量評(píng)估模型和定量評(píng)估模型。定性評(píng)估模型主要依靠專家經(jīng)驗(yàn)和工程類比，對(duì)巖溶地基病害的危險(xiǎn)性進(jìn)行主觀判斷。例如，通過對(duì)巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育特征以及工程建設(shè)情況進(jìn)行綜合分析，對(duì)比類似工程案例，判斷病害發(fā)生的可能性和危害程度。這種方法雖然簡(jiǎn)單易行，但主觀性較強(qiáng)，準(zhǔn)確性相對(duì)較低，一般適用于初步勘察階段或?qū)こ桃蟛桓叩捻?xiàng)目。半定量評(píng)估模型則是在定性評(píng)估的基礎(chǔ)上，引入一些量化指標(biāo)，對(duì)病害危險(xiǎn)性進(jìn)行半定量評(píng)價(jià)。如頂板厚跨比法，該方法常用于穩(wěn)定圍巖的評(píng)價(jià)，不考慮頂板形態(tài)、荷載大小和性質(zhì)，僅根據(jù)近似的水平投影跨度L和頂部最薄處厚度h，求出厚跨比h/L，作為安全厚度評(píng)價(jià)依據(jù)。當(dāng)h/L大于一定值時(shí)，認(rèn)為頂板具有較好的穩(wěn)定性；反之，則穩(wěn)定性較差。此外，還有估算頂板安全厚度法等半定量評(píng)估方法。這些方法在一定程度上提高了評(píng)估的準(zhǔn)確性，但仍存在一定的局限性。定量評(píng)估模型則是運(yùn)用數(shù)學(xué)和力學(xué)原理，建立精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)巖溶地基病害的危險(xiǎn)性進(jìn)行量化分析。例如，利用有限元法、邊界元法等數(shù)值方法，考慮巖土體的力學(xué)性質(zhì)、巖溶洞穴的幾何形狀和分布特征以及上部結(jié)構(gòu)的荷載作用等因素，對(duì)地基的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析。通過計(jì)算得到地基的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及安全系數(shù)等指標(biāo)，從而準(zhǔn)確評(píng)估病害對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響程度。定量評(píng)估模型能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，但對(duì)數(shù)據(jù)的要求較高，計(jì)算過程也較為復(fù)雜。在進(jìn)行巖溶地基病害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素。巖溶洞穴的規(guī)模和形態(tài)是重要因素之一，規(guī)模較大的溶洞，如直徑超過10米的溶洞，其頂板坍塌的可能性較大，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響也更為嚴(yán)重。溶洞的形狀不規(guī)則，如存在尖銳的邊角或局部薄弱區(qū)域，也會(huì)降低頂板的穩(wěn)定性。巖溶地基的巖土體性質(zhì)也至關(guān)重要，巖土體的強(qiáng)度、變形特性以及滲透性等都會(huì)影響地基的穩(wěn)定性。例如，巖土體的強(qiáng)度較低，如抗壓強(qiáng)度小于10MPa，在荷載作用下容易發(fā)生變形和破壞，增加了巖溶地基病害的危險(xiǎn)性。巖土體的滲透性較大，會(huì)導(dǎo)致地下水的流動(dòng)加速，進(jìn)一步溶蝕巖土體，削弱地基的承載能力。此外，上部結(jié)構(gòu)的荷載大小和分布形式也會(huì)對(duì)巖溶地基病害的危險(xiǎn)性產(chǎn)生影響。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的荷載較大，如大型建筑的荷載超過100kPa時(shí)，巖溶地基更容易出現(xiàn)變形和破壞。荷載分布不均勻，會(huì)使地基局部受力過大，加劇病害的發(fā)展?；跀?shù)值模擬的評(píng)估模型則是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過建立考慮巖溶地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模型，對(duì)病害對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用進(jìn)行模擬和分析。在數(shù)值模擬中，常用的軟件有ANSYS、ABAQUS等。以ANSYS軟件為例，首先需要建立巖溶地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。然后，根據(jù)巖土體和結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性質(zhì)，選擇合適的材料本構(gòu)模型，如彈性模型、彈塑性模型等。在模擬過程中，考慮地基與基礎(chǔ)之間的接觸關(guān)系，可采用接觸單元來模擬兩者之間的相互作用。通過施加不同的荷載工況，如地震荷載、自重荷載等，模擬巖溶地基病害對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響?？梢缘玫缴喜拷Y(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等響應(yīng)結(jié)果，從而評(píng)估病害對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用。通過數(shù)值模擬，能夠直觀地了解病害在不同工況下對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響過程和程度，為工程設(shè)計(jì)和決策提供有力的支持。但數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的合理性和參數(shù)的選取，需要進(jìn)行充分的驗(yàn)證和校準(zhǔn)。三、鋼管混凝土拱橋與地基-基礎(chǔ)相互作用理論3.1鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與抗震原理鋼管混凝土拱橋是一種將鋼管和混凝土兩種材料有機(jī)結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的特點(diǎn)。拱肋是鋼管混凝土拱橋的主要承重構(gòu)件，通常由鋼管和填充在其中的混凝土組成。鋼管具有較高的抗拉和抗彎強(qiáng)度，能夠有效地承受拉力和彎矩。而內(nèi)部填充的混凝土則在鋼管的約束作用下，處于三向受壓狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度得到顯著提高。這種組合使得拱肋具有強(qiáng)大的抗壓、抗彎和抗剪能力，能夠承受較大的荷載。例如，在廣東丫髻沙大橋中，其主拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，跨徑達(dá)到360米，在承受巨大的恒載和活載作用下，依然保持了良好的結(jié)構(gòu)性能。吊桿是連接拱肋和橋面系的重要構(gòu)件，其作用是將橋面系的荷載傳遞到拱肋上。吊桿通常采用高強(qiáng)度的鋼索或鋼筋，具有較高的抗拉強(qiáng)度，能夠有效地承受拉力。通過合理布置吊桿，可以使橋面系的荷載均勻地分布到拱肋上，從而保證拱橋的整體穩(wěn)定性。在一些中承式或下承式鋼管混凝土拱橋中，吊桿的數(shù)量和間距根據(jù)橋梁的跨度、荷載等因素進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。如重慶巫峽長(zhǎng)江大橋，其吊桿采用平行鋼絲束，通過精確計(jì)算和合理布置，將橋面系的荷載順利傳遞到拱肋，確保了橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。系桿是某些鋼管混凝土拱橋中的重要組成部分，主要用于平衡拱肋的水平推力。在有系桿的鋼管混凝土拱橋中，系桿與拱肋共同作用，形成一個(gè)自平衡體系。系桿一般采用預(yù)應(yīng)力鋼索或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有較高的抗拉能力。當(dāng)拱肋承受荷載產(chǎn)生水平推力時(shí)，系桿能夠通過自身的拉力來抵消部分或全部水平推力，從而減輕橋墩和基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)。例如，在一些城市景觀拱橋中，為了減小對(duì)周邊環(huán)境的影響，采用系桿來平衡拱肋的水平推力，使得橋梁能夠在較小的基礎(chǔ)條件下順利建造。鋼管混凝土拱橋的抗震原理基于其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和動(dòng)力特性。從力學(xué)性能方面來看，鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)體系具有較高的強(qiáng)度和剛度。拱肋的鋼管和混凝土組合結(jié)構(gòu)使其在承受地震作用時(shí)，能夠有效地抵抗變形和破壞。鋼管的約束作用提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性，使得拱肋在地震作用下能夠吸收更多的能量。同時(shí)，拱橋的曲線形狀使其在豎向荷載作用下產(chǎn)生的水平分力可以與地震作用產(chǎn)生的水平力相互抵消一部分，從而減小了地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在動(dòng)力特性方面，鋼管混凝土拱橋具有較低的自振頻率和較大的阻尼比。較低的自振頻率使得拱橋在地震作用下的響應(yīng)相對(duì)較小，不易與地震波產(chǎn)生共振。較大的阻尼比則能夠有效地消耗地震能量，減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度。例如，通過對(duì)一些鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，其阻尼比一般在0.03-0.05之間，相比其他類型的橋梁，具有較好的耗能能力。此外，合理設(shè)計(jì)的拱橋結(jié)構(gòu)能夠使地震力在結(jié)構(gòu)中均勻分布，避免局部應(yīng)力集中，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在設(shè)計(jì)鋼管混凝土拱橋時(shí)，工程師會(huì)根據(jù)橋址的地震條件、地質(zhì)情況等因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，如拱肋的截面尺寸、矢跨比等，以提高橋梁的抗震能力。3.2地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用理論地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)問題，其基本理論涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、土力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。在地震作用下，地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，這種相互作用不能簡(jiǎn)單地將三者分開進(jìn)行分析，而需要將它們作為一個(gè)整體來考慮。目前，分析地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用的方法主要有靜力法、反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法等。靜力法是最早應(yīng)用的一種分析方法，它假定結(jié)構(gòu)在地震作用下處于靜力平衡狀態(tài)，將地震作用簡(jiǎn)化為一個(gè)等效的靜力荷載，施加在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但忽略了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震作用的時(shí)間歷程，僅適用于結(jié)構(gòu)自振周期較短、地震作用相對(duì)較小的情況。例如，對(duì)于一些低矮的建筑物或結(jié)構(gòu)剛度較大的橋梁，在地震作用相對(duì)較弱時(shí)，可以采用靜力法進(jìn)行初步分析。反應(yīng)譜法是目前工程中應(yīng)用較為廣泛的一種方法，它是在彈性反應(yīng)譜理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該方法通過對(duì)大量地震記錄的分析，得到不同周期的單自由度體系在地震作用下的最大反應(yīng)，如最大加速度、最大位移等，從而繪制出反應(yīng)譜曲線。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼比，從反應(yīng)譜曲線上查得相應(yīng)的地震作用系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。反應(yīng)譜法考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，能夠滿足大多數(shù)工程的設(shè)計(jì)要求。然而，反應(yīng)譜法是基于彈性理論建立的，對(duì)于結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性階段后的地震響應(yīng)分析存在一定的局限性。在地震作用較強(qiáng)時(shí)，結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)非線性變形，如混凝土開裂、鋼筋屈服等，此時(shí)反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在較大偏差。時(shí)程分析法是一種直接動(dòng)力分析方法，它將地震波的時(shí)間歷程作為輸入，通過逐步積分求解結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，得到結(jié)構(gòu)在整個(gè)地震持續(xù)時(shí)間內(nèi)的位移、速度、加速度和內(nèi)力等響應(yīng)。時(shí)程分析法能夠考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性、地基與基礎(chǔ)的相互作用以及地震波的頻譜特性等因素，更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的實(shí)際受力狀態(tài)和變形過程。在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，需要合理選擇地震波，通常會(huì)選擇多條不同特性的地震波進(jìn)行輸入，以確保分析結(jié)果的可靠性。例如，選擇與橋址場(chǎng)地條件相似的實(shí)際地震記錄，或者根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜合成人工地震波。時(shí)程分析法的計(jì)算過程較為復(fù)雜，需要借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，但其分析結(jié)果對(duì)于研究結(jié)構(gòu)的抗震性能和進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。在理論分析模型方面，常用的有文克爾地基模型、彈性半空間地基模型和有限元模型等。文克爾地基模型假設(shè)地基是由一系列互不聯(lián)系的彈簧組成，地基表面任一點(diǎn)的沉降只與作用在該點(diǎn)的壓力成正比，而與其他點(diǎn)的壓力無關(guān)。這種模型計(jì)算簡(jiǎn)單，概念明確，但忽略了地基土的連續(xù)性和應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，適用于地基土較軟弱、壓縮層較薄的情況。例如，對(duì)于一些軟土地基上的小型結(jié)構(gòu)物，采用文克爾地基模型可以得到較為滿意的結(jié)果。彈性半空間地基模型則假定地基是一個(gè)均質(zhì)、各向同性的彈性半無限空間體，考慮了地基土的連續(xù)性和應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)。在該模型中，當(dāng)荷載作用于地基表面時(shí)，地基中的應(yīng)力和位移會(huì)隨著深度和距離的增加而逐漸減小。彈性半空間地基模型能夠較好地反映地基土的實(shí)際力學(xué)特性，但計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜，需要求解復(fù)雜的彈性力學(xué)方程。對(duì)于一些大型橋梁或?qū)Φ鼗冃我筝^高的結(jié)構(gòu)，采用彈性半空間地基模型進(jìn)行分析更為合適。有限元模型是利用有限元方法將地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，通過建立單元的剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)平衡方程，求解整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)響應(yīng)。有限元模型具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，可以考慮各種復(fù)雜的邊界條件、材料非線性和幾何非線性等因素。在建立有限元模型時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇單元類型、劃分網(wǎng)格和確定材料參數(shù)。例如，對(duì)于鋼管混凝土拱橋的有限元分析，可以采用梁?jiǎn)卧M拱肋、吊桿和系桿，采用實(shí)體單元模擬地基和基礎(chǔ)，通過合理設(shè)置單元之間的連接方式和接觸條件，準(zhǔn)確模擬地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)的相互作用。有限元模型能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行全面、細(xì)致的分析，是目前研究地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用的重要工具之一。3.3考慮相互作用的模型建立方法建立考慮巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用的鋼管混凝土拱橋模型時(shí)，ANSYS是常用的有限元軟件之一。其具備強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合分析能力，能夠全面模擬復(fù)雜的工程問題。在模擬巖溶地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，可借助其豐富的單元庫(kù)和材料模型，準(zhǔn)確描述各部分的力學(xué)行為。在模擬鋼管混凝土拱橋時(shí)，選用合適的單元類型至關(guān)重要。對(duì)于拱肋、吊桿等細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，梁?jiǎn)卧抢硐氲倪x擇。以BEAM188單元為例，該單元基于鐵木辛柯梁理論，能考慮剪切變形的影響，對(duì)于模擬拱肋和吊桿在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為具有較高的精度。在模擬中，根據(jù)拱肋和吊桿的實(shí)際尺寸和形狀，合理設(shè)置單元的截面參數(shù)，如截面面積、慣性矩等，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映其力學(xué)性能。對(duì)于橋墩和基礎(chǔ)，實(shí)體單元更能精確模擬其復(fù)雜的受力和變形情況。SOLID45單元是一種常用的三維實(shí)體單元，它具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，能夠較好地模擬橋墩和基礎(chǔ)在三維空間中的受力狀態(tài)。在模擬過程中，通過對(duì)橋墩和基礎(chǔ)進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，細(xì)化關(guān)鍵部位的網(wǎng)格，如橋墩與基礎(chǔ)的連接部位、基礎(chǔ)與地基的接觸部位等，以提高計(jì)算精度。在模擬巖溶地基時(shí)，由于巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，溶洞、溶蝕裂隙等分布不規(guī)則，采用合適的建模方法至關(guān)重要。可以通過建立三維實(shí)體模型來模擬地基的復(fù)雜地質(zhì)條件。利用ANSYS的布爾運(yùn)算功能，在實(shí)體模型中創(chuàng)建溶洞和溶蝕裂隙的幾何形狀。為了更準(zhǔn)確地模擬溶洞對(duì)地基力學(xué)性能的影響，可在溶洞周圍設(shè)置過渡區(qū)域，對(duì)過渡區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。在溶洞內(nèi)部，根據(jù)實(shí)際情況填充相應(yīng)的材料模型，如空氣或水，以模擬溶洞內(nèi)部的介質(zhì)特性。同時(shí)，對(duì)于地基土，選用合適的材料本構(gòu)模型來描述其力學(xué)行為。Mohr-Coulomb本構(gòu)模型是一種常用的土體本構(gòu)模型，它考慮了土體的非線性、塑性和剪脹性等特性，能夠較好地模擬地基土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為。在模型中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)得到的地基土物理力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力等，準(zhǔn)確設(shè)置Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的參數(shù)，以確保模型能夠真實(shí)反映地基土的力學(xué)特性。在模擬地基與基礎(chǔ)的相互作用時(shí)，接觸單元是必不可少的。CONTACT174單元是一種常用的面-面接觸單元，可用于模擬基礎(chǔ)與地基之間的接觸行為。在模型中，定義基礎(chǔ)底面為接觸表面，地基頂面為目標(biāo)表面，設(shè)置合適的接觸參數(shù)，如接觸剛度、摩擦系數(shù)等。接觸剛度的取值直接影響接觸界面的力學(xué)行為，一般通過經(jīng)驗(yàn)公式或試算來確定合適的接觸剛度值。摩擦系數(shù)則根據(jù)地基土和基礎(chǔ)材料的性質(zhì)，參考相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值。同時(shí)，考慮到在地震作用下地基與基礎(chǔ)之間可能會(huì)出現(xiàn)分離和滑移現(xiàn)象，在接觸單元中設(shè)置相應(yīng)的接觸算法，如罰函數(shù)法或拉格朗日乘子法，以準(zhǔn)確模擬這種非線性接觸行為。四、案例分析-某鋼管混凝土拱橋4.1工程概況本案例中的鋼管混凝土拱橋位于我國(guó)西南地區(qū)的巖溶地貌區(qū)域，該區(qū)域廣泛分布著可溶性巖石，巖溶現(xiàn)象十分發(fā)育。橋址處地質(zhì)條件復(fù)雜，地下溶洞和溶蝕裂隙眾多，給橋梁的建設(shè)和抗震設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)。該橋?yàn)橐蛔谐惺戒摴芑炷凉皹?，主跨跨徑達(dá)200米。主拱肋采用啞鈴形截面，由兩根直徑為1.2米的鋼管和中間連接的混凝土板組成。鋼管采用Q345鋼材，其屈服強(qiáng)度為345MPa，具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性，能夠有效地承受拉力和彎矩。內(nèi)部填充的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，在鋼管的約束作用下，其抗壓強(qiáng)度得到顯著提高，增強(qiáng)了拱肋的整體承載能力。這種啞鈴形截面設(shè)計(jì)不僅提高了拱肋的抗彎和抗扭性能，還增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。橋跨布置形式為（2×30m+200m+2×30m）。兩側(cè)引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，引橋基礎(chǔ)根據(jù)不同的地質(zhì)條件分別采用鉆孔灌注樁和擴(kuò)大基礎(chǔ)。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)適用于地質(zhì)條件較差、地基承載力較低的區(qū)域，通過將樁身深入到較深的土層中，以獲得足夠的承載能力。擴(kuò)大基礎(chǔ)則適用于地質(zhì)條件較好、地基承載力較高的區(qū)域，通過擴(kuò)大基礎(chǔ)的底面積，將上部結(jié)構(gòu)的荷載均勻地傳遞到地基上。在橋址處的地質(zhì)勘察中，采用了地質(zhì)鉆探、地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法等多種勘察手段。地質(zhì)鉆探共布置了10個(gè)鉆孔，深度達(dá)到30-50米，通過對(duì)鉆孔巖芯的分析，詳細(xì)了解了地層的巖性、巖溶洞穴的分布深度和規(guī)模。地質(zhì)雷達(dá)利用高頻電磁波對(duì)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，能夠快速、準(zhǔn)確地確定巖溶洞穴的位置和大致形態(tài)。高密度電法則通過測(cè)量地下不同地層的電阻率差異，來推斷巖溶洞穴的分布范圍和規(guī)模。綜合多種勘察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)橋址處巖溶洞穴分布較為密集，主要集中在地面以下5-20米的深度范圍內(nèi)。溶洞的直徑大小不一，最小的直徑約為1米，最大的直徑可達(dá)8米。溶洞的形狀也不規(guī)則，部分溶洞呈串珠狀分布，對(duì)地基的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大影響。此外，該區(qū)域巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)也較為復(fù)雜，巖石的抗壓強(qiáng)度在10-30MPa之間，土體的壓縮性較高，內(nèi)摩擦角在20°-30°之間，這些因素都增加了橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工的難度。4.2模型建立與地震波選取利用有限元軟件ANSYS建立該鋼管混凝土拱橋的數(shù)值模型，分別考慮和不考慮地基-基礎(chǔ)相互作用兩種情況。在不考慮地基-基礎(chǔ)相互作用的模型中，將橋墩底部直接固定，模擬剛性基礎(chǔ)條件。在考慮地基-基礎(chǔ)相互作用的模型中，地基采用實(shí)體單元SOLID45進(jìn)行模擬，基礎(chǔ)同樣采用實(shí)體單元模擬，基礎(chǔ)與地基之間通過接觸單元CONTACT174模擬兩者的相互作用。按照橋址處的地質(zhì)勘察報(bào)告，準(zhǔn)確模擬巖溶洞穴的位置、大小和形狀。對(duì)于溶洞的模擬，在地基實(shí)體模型中通過布爾運(yùn)算創(chuàng)建相應(yīng)的空洞區(qū)域，并在空洞周圍設(shè)置過渡區(qū)域，對(duì)過渡區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。例如，對(duì)于直徑為5米的溶洞，在其周圍設(shè)置寬度為2米的過渡區(qū)域，過渡區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格尺寸控制在0.5米以內(nèi)，以提高模擬的準(zhǔn)確性。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)得到的地基土物理力學(xué)參數(shù)，如彈性模量為30MPa、泊松比為0.3、內(nèi)摩擦角為30°、黏聚力為15kPa等，在模型中準(zhǔn)確設(shè)置Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的參數(shù)，以真實(shí)反映地基土的力學(xué)特性。主拱肋采用BEAM188梁?jiǎn)卧M，能夠準(zhǔn)確模擬其在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為。吊桿也采用BEAM188梁?jiǎn)卧?，根?jù)實(shí)際的吊桿布置和長(zhǎng)度，合理設(shè)置單元參數(shù)。橋墩采用SOLID45實(shí)體單元，通過合理劃分網(wǎng)格，細(xì)化關(guān)鍵部位的網(wǎng)格，如橋墩與基礎(chǔ)的連接部位、橋墩與拱肋的連接部位等，以提高計(jì)算精度。在橋墩與基礎(chǔ)的連接部位，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2米，確保能夠準(zhǔn)確捕捉該部位的應(yīng)力和變形。對(duì)于橋面系，采用板單元SHELL63進(jìn)行模擬，考慮其在地震作用下的平面內(nèi)和平面外受力情況。在地震波選取方面，遵循相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮橋址場(chǎng)地條件和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)的規(guī)定，地震波的選取需滿足頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間的要求。首先，頻譜特性應(yīng)與橋址所處的場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組相匹配。橋址場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，因此選擇的地震波特征周期應(yīng)接近Ⅱ類場(chǎng)地第一組的特征周期。通過查閱相關(guān)地震波數(shù)據(jù)庫(kù)，篩選出多條符合場(chǎng)地條件的實(shí)際強(qiáng)震記錄。然后，考慮地震波的有效峰值，根據(jù)規(guī)范中不同地震烈度對(duì)應(yīng)的加速度有效峰值要求，結(jié)合橋址的抗震設(shè)防烈度為7度，確定所選地震波的有效峰值應(yīng)滿足7度設(shè)防的要求，即多遇地震時(shí)加速度有效峰值為35cm/s2。最后，地震波的持續(xù)時(shí)間一般取結(jié)構(gòu)基本周期的5-10倍。通過前期對(duì)該橋結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，得到其基本周期為1.5s，因此所選地震波的持續(xù)時(shí)間在7.5-15s之間。綜合考慮以上因素，最終選用了三條實(shí)際強(qiáng)震記錄，分別為EL-Centro波、Taft波和Northridge波。EL-Centro波是1940年美國(guó)加利福尼亞州埃爾森特羅地震時(shí)記錄到的地震波，其卓越周期與該橋的自振周期較為接近，能夠較好地激發(fā)橋梁的地震響應(yīng)。Taft波是1952年美國(guó)加利福尼亞州塔夫脫地震時(shí)記錄到的地震波，具有不同的頻譜特性，可與EL-Centro波相互補(bǔ)充。Northridge波是1994年美國(guó)加利福尼亞州北嶺地震時(shí)記錄到的地震波，其震級(jí)和震中距與橋址所在地區(qū)的地震情況有一定的相似性。在數(shù)值模擬中，將這三條地震波分別沿順橋向、橫橋向和豎向輸入模型，進(jìn)行地震響應(yīng)分析。4.3地震響應(yīng)分析對(duì)考慮和不考慮地基-基礎(chǔ)相互作用的模型分別進(jìn)行地震響應(yīng)分析，輸入EL-Centro波、Taft波和Northridge波三條地震波，沿順橋向、橫橋向和豎向三個(gè)方向輸入。在位移時(shí)程分析中，選取拱頂、1/4跨和拱腳等關(guān)鍵位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從分析結(jié)果來看，考慮地基-基礎(chǔ)相互作用時(shí)，橋梁的位移響應(yīng)明顯增大。以拱頂為例，在EL-Centro波作用下，不考慮相互作用時(shí)拱頂?shù)淖畲箜槝蛳蛭灰茷?2.5cm，而考慮相互作用后，最大順橋向位移增加到16.3cm，增幅達(dá)到30.4%。這是因?yàn)榈鼗?基礎(chǔ)相互作用使得基礎(chǔ)的約束剛度降低，結(jié)構(gòu)的整體剛度減小，從而在地震作用下更容易產(chǎn)生變形。在橫橋向和豎向位移方面，也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。橫橋向位移在考慮相互作用后，最大位移從5.6cm增加到7.8cm，增幅約為39.3%；豎向位移最大位移從8.2cm增加到11.0cm，增幅約為34.1%。這種位移的增大可能會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的變形，影響橋梁的正常使用，甚至可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的破壞。加速度時(shí)程分析結(jié)果表明，考慮地基-基礎(chǔ)相互作用對(duì)橋梁加速度響應(yīng)也有顯著影響。在拱腳位置，不考慮相互作用時(shí)，在Taft波作用下，最大順橋向加速度為0.25g（g為重力加速度），考慮相互作用后，最大順橋向加速度減小到0.20g。這是由于地基-基礎(chǔ)相互作用起到了一定的隔震作用，消耗了部分地震能量，使得傳遞到上部結(jié)構(gòu)的加速度減小。然而，在某些部位，如1/4跨處，加速度響應(yīng)可能會(huì)增大。在Northridge波作用下，不考慮相互作用時(shí)1/4跨處的最大橫橋向加速度為0.18g，考慮相互作用后增加到0.23g，增幅約為27.8%。這種加速度響應(yīng)的變化說明地基-基礎(chǔ)相互作用對(duì)橋梁不同部位的加速度影響不同，在抗震設(shè)計(jì)中需要綜合考慮各部位的加速度響應(yīng)情況。內(nèi)力最值分析主要關(guān)注拱肋的軸力、彎矩和剪力。結(jié)果顯示，考慮地基-基礎(chǔ)相互作用時(shí)，拱肋的內(nèi)力最值發(fā)生了明顯變化。在軸力方面，拱腳處的最大軸力在考慮相互作用后從12000kN增加到14500kN，增幅達(dá)到20.8%。這是因?yàn)榛A(chǔ)的變形使得拱腳處的受力狀態(tài)發(fā)生改變，增加了拱肋的軸力。在彎矩方面，1/4跨處的最大彎矩在考慮相互作用后從3500kN?m增加到4200kN?m，增幅約為20.0%。剪力方面，拱腳處的最大剪力在考慮相互作用后從800kN增加到950kN，增幅約為18.8%。這些內(nèi)力的增加會(huì)使拱肋的受力更加復(fù)雜，對(duì)拱肋的承載能力提出了更高的要求，在設(shè)計(jì)中需要加強(qiáng)拱肋的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。綜上所述，巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用對(duì)鋼管混凝土拱橋在地震作用下的位移時(shí)程、加速度時(shí)程和內(nèi)力最值都有顯著影響?？紤]相互作用后，橋梁的位移響應(yīng)增大，加速度響應(yīng)在不同部位有增有減，內(nèi)力最值明顯增加。因此，在巖溶地區(qū)進(jìn)行鋼管混凝土拱橋的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮地基-基礎(chǔ)相互作用的影響，采取有效的抗震措施，以確保橋梁在地震作用下的安全性能。五、溶洞對(duì)鋼管混凝土拱橋抗震性能的影響5.1溶洞存在對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響溶洞的存在會(huì)顯著改變鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力特性，尤其是自振頻率和振型。自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有屬性，反映了結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)狀態(tài)下的振動(dòng)快慢。振型則描述了結(jié)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移形態(tài)。研究表明，溶洞位置對(duì)拱橋自振頻率有著明顯影響。當(dāng)溶洞位于拱腳附近時(shí)，由于拱腳是拱肋的主要支承部位，溶洞的存在會(huì)削弱拱腳的約束剛度，導(dǎo)致拱橋的整體剛度降低，進(jìn)而使自振頻率減小。以某工程實(shí)例為例，通過有限元模擬分析，當(dāng)在拱腳正下方5米處設(shè)置一個(gè)直徑為8米的溶洞時(shí)，該橋的一階自振頻率從原來的0.85Hz降低到了0.72Hz，降幅達(dá)到15.3%。這是因?yàn)楣澳_處溶洞的存在使得地基的承載能力下降，拱腳在地震作用下更容易產(chǎn)生變形，從而影響了拱橋的整體動(dòng)力性能。當(dāng)溶洞位于拱頂時(shí)，雖然拱頂?shù)氖芰顟B(tài)與拱腳有所不同，但溶洞同樣會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生影響。拱頂是拱橋在豎向荷載作用下彎矩較大的部位，溶洞的存在會(huì)改變拱頂?shù)慕孛嫣匦院褪芰Ψ植?，使得拱橋的局部剛度發(fā)生變化，進(jìn)而影響自振頻率。例如，在另一座拱橋的數(shù)值模擬中，在拱頂設(shè)置一個(gè)直徑為6米的溶洞后，其一階自振頻率從0.92Hz下降到了0.80Hz，下降幅度約為13.0%。溶洞大小對(duì)拱橋自振頻率的影響也十分顯著。隨著溶洞直徑的增大，拱橋的自振頻率會(huì)逐漸降低。這是因?yàn)槿芏丛酱?，?duì)地基和結(jié)構(gòu)的削弱作用就越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的整體剛度下降得也就越多。通過對(duì)一系列不同溶洞直徑的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶洞直徑從2米增加到10米時(shí)，拱橋的一階自振頻率從1.05Hz逐漸降低到0.68Hz，呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而且，溶洞大小對(duì)不同階自振頻率的影響程度也有所不同，一般來說，對(duì)低階自振頻率的影響更為明顯。低階自振頻率在結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)中起主導(dǎo)作用，因此溶洞大小對(duì)低階自振頻率的影響會(huì)直接關(guān)系到拱橋在地震作用下的響應(yīng)特性。溶洞的存在還會(huì)改變拱橋的振型。在無溶洞情況下，鋼管混凝土拱橋的振型主要表現(xiàn)為拱肋的整體彎曲和扭轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)存在溶洞時(shí)，由于結(jié)構(gòu)局部剛度的變化，振型會(huì)變得更加復(fù)雜。溶洞附近的振型會(huì)出現(xiàn)明顯的局部變形，如在溶洞周圍的地基和結(jié)構(gòu)部位，會(huì)產(chǎn)生較大的位移和應(yīng)力集中。在某數(shù)值模擬中，當(dāng)在拱橋1/4跨處存在一個(gè)溶洞時(shí)，除了拱肋的整體彎曲振型外，在溶洞所在位置出現(xiàn)了明顯的局部彎曲和扭轉(zhuǎn)振型，這表明溶洞的存在使得結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)發(fā)生了改變，增加了結(jié)構(gòu)在地震作用下的復(fù)雜性和不確定性。而且，不同位置和大小的溶洞對(duì)振型的改變程度和方式也各不相同，這需要在抗震分析中進(jìn)行具體的研究和考慮。5.2溶洞對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響為深入研究溶洞存在時(shí)橋梁在地震作用下的位移、加速度和內(nèi)力響應(yīng)的變化規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)考慮不同溶洞參數(shù)的橋梁模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析。在位移響應(yīng)方面，當(dāng)溶洞位于拱腳附近時(shí)，由于拱腳是拱肋的主要支承部位，溶洞的存在削弱了拱腳的約束剛度，使得橋梁在地震作用下的位移顯著增大。通過有限元模擬，當(dāng)在拱腳正下方3米處設(shè)置一個(gè)直徑為6米的溶洞時(shí)，在El-Centro波作用下，拱頂?shù)捻槝蛳蜃畲笪灰茝?0.2cm增加到14.8cm，增幅達(dá)到45.1%。這是因?yàn)楣澳_處溶洞的存在降低了地基對(duì)拱腳的支撐能力，導(dǎo)致拱腳在地震力作用下產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)而傳遞到拱頂，使拱頂位移增大。當(dāng)溶洞位于拱頂時(shí)，雖然拱頂?shù)氖芰顟B(tài)與拱腳不同，但溶洞同樣會(huì)改變拱頂?shù)木植縿偠龋瑥亩绊憳蛄旱奈灰祈憫?yīng)。在另一座拱橋模型中，在拱頂設(shè)置一個(gè)直徑為4米的溶洞后，在Taft波作用下，拱頂?shù)呢Q向最大位移從7.5cm增加到10.3cm，增加了約37.3%。溶洞的大小對(duì)橋梁位移響應(yīng)也有明顯影響。隨著溶洞直徑的增大，橋梁在地震作用下的位移逐漸增大。通過對(duì)一系列不同溶洞直徑的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶洞直徑從2米增加到8米時(shí)，拱腳在Northridge波作用下的順橋向最大位移從8.8cm逐漸增大到13.5cm，呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。而且，溶洞大小對(duì)不同部位的位移影響程度不同，一般來說，對(duì)拱腳和拱頂?shù)汝P(guān)鍵部位的位移影響更為顯著。拱腳和拱頂是拱橋受力的關(guān)鍵部位，溶洞大小對(duì)這些部位位移的影響直接關(guān)系到橋梁的整體穩(wěn)定性和安全性。在加速度響應(yīng)方面，溶洞的存在會(huì)改變橋梁的加速度分布。當(dāng)溶洞位于拱腳附近時(shí)，由于拱腳處剛度的變化，地震波在傳播過程中會(huì)發(fā)生反射和折射，導(dǎo)致拱腳附近的加速度響應(yīng)增大。在某數(shù)值模擬中，在拱腳下方設(shè)置溶洞后，在El-Centro波作用下，拱腳處的順橋向最大加速度從0.22g增加到0.28g，增幅約為27.3%。然而，在遠(yuǎn)離溶洞的部位，加速度響應(yīng)可能會(huì)減小。這是因?yàn)槿芏吹拇嬖诟淖兞说卣鸩ǖ膫鞑ヂ窂胶湍芰糠植?，使得部分能量在溶洞附近被消耗，從而減少了傳遞到遠(yuǎn)離溶洞部位的能量。溶洞大小對(duì)加速度響應(yīng)也有一定影響。一般來說，溶洞越大，對(duì)加速度響應(yīng)的影響越明顯。當(dāng)溶洞直徑增大時(shí)，拱腳處的加速度響應(yīng)會(huì)顯著增大。例如，當(dāng)溶洞直徑從3米增大到6米時(shí)，在Taft波作用下，拱腳處的橫橋向最大加速度從0.15g增大到0.21g，增幅約為40.0%。這表明溶洞大小的變化會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生顯著改變，在抗震設(shè)計(jì)中需要充分考慮溶洞大小對(duì)加速度響應(yīng)的影響。在內(nèi)力響應(yīng)方面，溶洞的存在會(huì)使橋梁的內(nèi)力分布發(fā)生變化。以拱肋的軸力為例，當(dāng)溶洞位于拱腳附近時(shí)，由于拱腳約束剛度的降低，拱肋在地震作用下的軸力會(huì)增大。在某工程實(shí)例中，在拱腳下方設(shè)置溶洞后，在Northridge波作用下，拱腳處的軸力從10000kN增加到12500kN，增幅達(dá)到25.0%。這是因?yàn)槿芏吹拇嬖诟淖兞斯澳_的受力狀態(tài)，使得拱肋在傳遞荷載時(shí)需要承受更大的軸力。在彎矩方面，當(dāng)溶洞位于拱頂時(shí)，拱頂處的彎矩會(huì)明顯增大。在另一座拱橋模型中，在拱頂設(shè)置溶洞后，在El-Centro波作用下，拱頂處的彎矩從2800kN?m增加到3500kN?m，增幅約為25.0%。這是由于溶洞改變了拱頂?shù)慕孛嫣匦院褪芰Ψ植迹瑢?dǎo)致彎矩增大。溶洞大小對(duì)內(nèi)力響應(yīng)同樣有影響。隨著溶洞直徑的增大，拱肋的內(nèi)力也會(huì)逐漸增大。通過數(shù)值模擬分析，當(dāng)溶洞直徑從2米增大到8米時(shí)，拱腳處的剪力在Taft波作用下從700kN逐漸增大到950kN。這說明溶洞大小的變化會(huì)對(duì)橋梁的內(nèi)力響應(yīng)產(chǎn)生重要影響，在設(shè)計(jì)和評(píng)估橋梁的抗震性能時(shí)，必須考慮溶洞大小對(duì)內(nèi)力的影響。5.3考慮溶洞影響的抗震措施建議基于前文對(duì)溶洞影響的深入分析，在鋼管混凝土拱橋的抗震設(shè)計(jì)與加固中，采取針對(duì)性措施十分必要。在抗震設(shè)計(jì)方面，首先要強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。對(duì)于存在溶洞的地基，應(yīng)根據(jù)溶洞的具體情況，合理選擇基礎(chǔ)形式。當(dāng)溶洞規(guī)模較小且距離基礎(chǔ)較遠(yuǎn)時(shí)，可采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，通過增加基礎(chǔ)的底面積，分散上部結(jié)構(gòu)的荷載，減小基礎(chǔ)對(duì)溶洞上方巖土體的壓力。例如，在某工程中，溶洞直徑為2米，距離基礎(chǔ)邊緣5米，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)后，基礎(chǔ)底面的壓力降低了20%，有效保障了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。若溶洞規(guī)模較大或距離基礎(chǔ)較近，樁基礎(chǔ)則更為合適。樁基礎(chǔ)可以穿過溶洞，將荷載傳遞到穩(wěn)定的地層中。在設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)時(shí)，要精確確定樁的長(zhǎng)度和直徑，確保其能夠承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，并考慮溶洞對(duì)樁身的影響。例如，在溶洞周圍的樁身，可適當(dāng)增加配筋率，提高樁身的抗彎和抗剪能力。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性也是關(guān)鍵。設(shè)置橫撐可以有效增強(qiáng)拱肋的橫向聯(lián)系，提高結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。橫撐的布置應(yīng)根據(jù)拱橋的跨度、寬度以及溶洞的位置等因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。對(duì)于跨度較大的拱橋，可增加橫撐的數(shù)量和截面尺寸，以提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。在某大跨度鋼管混凝土拱橋中，通過增加橫撐的數(shù)量，結(jié)構(gòu)的橫向自振頻率提高了15%，有效增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗側(cè)傾能力。加強(qiáng)拱肋與橋墩、吊桿與橋面系等連接部位的構(gòu)造措施也至關(guān)重要。采用可靠的連接方式，如焊接、螺栓連接等，并增加連接部位的強(qiáng)度和剛度，確保在地震作用下連接部位不發(fā)生破壞，保證結(jié)構(gòu)的整體性。在加固措施方面，注漿加固是一種常用的方法。對(duì)于溶洞頂板較薄或存在裂縫的情況，可采用注漿加固。通過向溶洞內(nèi)注入水泥漿、化學(xué)漿液等，填充溶洞內(nèi)的空洞，增強(qiáng)溶洞頂板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在某工程中，對(duì)溶洞進(jìn)行注漿加固后，溶洞頂板的抗壓強(qiáng)度提高了30%，有效防止了頂板在地震作用下的坍塌。當(dāng)溶洞規(guī)模較大且對(duì)結(jié)構(gòu)影響嚴(yán)重時(shí)，可考慮采用跨越溶洞的結(jié)構(gòu)措施。例如，設(shè)置跨越溶洞的梁或拱，將上部結(jié)構(gòu)的荷載繞過溶洞傳遞到穩(wěn)定的地基上。在某隧道內(nèi)跨越溶洞的工程中，采用鋼混組合拱橋跨越溶洞，成功解決了溶洞對(duì)結(jié)構(gòu)的影響問題。在實(shí)施這些抗震措施時(shí)，需要綜合考慮工程的實(shí)際情況、成本效益以及施工可行性等因素，確保措施的有效性和可操作性。六、結(jié)論與展望6.1研究結(jié)論本研究通過理論分析、數(shù)值模擬以及實(shí)際案例研究，深入探討了巖溶地基-基礎(chǔ)相互作用對(duì)鋼管混凝土拱橋抗震性能的影響，得出以下主要結(jié)論：巖溶地基特性：巖溶地基具有獨(dú)特的地質(zhì)特點(diǎn)，溶洞、溶溝、溶槽等形態(tài)多樣，其分布受可溶性巖石類型、地質(zhì)構(gòu)造和水文條件等因素影響。碳酸鹽類巖石是形成巖溶地基的主要巖石類型，在中國(guó)西南地區(qū)廣泛分布。巖溶地區(qū)的地震特點(diǎn)包括塌陷地震、誘發(fā)地震以及小震級(jí)高烈度現(xiàn)象。塌陷地震由溶洞頂板塌陷引發(fā)，震源淺，對(duì)地面建筑物破壞較大；誘發(fā)地震與人類工程活動(dòng)如水庫(kù)蓄水、地下采礦等相關(guān)；小震級(jí)高烈度現(xiàn)象則是由于地震波在巖溶地區(qū)傳播時(shí)的復(fù)雜反射、折射和散射，導(dǎo)致能量局部聚集。巖溶地基病害對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用的評(píng)估模型包括地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估模型和基于數(shù)值模擬的評(píng)估模型。地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估模型有定性、半定量和定量評(píng)估模型，各有其適用范圍和局限性?；跀?shù)值模擬的評(píng)估模型利用有限元軟件，能直觀地分析病害對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響