橋梁PHC管樁基礎(chǔ)抗震性能分析

沈曉燕

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥230051)

摘要：PHC管樁具有良好的經(jīng)濟(jì)性能，近年來在大量的土木工程中得到了應(yīng)用，但目前國內(nèi)對其抗震性能的研究較少。對其抗震性能進(jìn)行深入的研究分析是確保其良好安全性的重要內(nèi)容。在此以托徐明高速公路橋梁的PHC管樁試點(diǎn)應(yīng)用工程實(shí)例，進(jìn)行了地震反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析，分析時(shí)考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用PHC管樁的地震反應(yīng)。研究結(jié)果表明：樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用減小了PHC管樁的地震反映。普通的PHC管樁很難適應(yīng)高烈度區(qū)橋梁抗震的需要。通過對普通型PHC管樁的適當(dāng)加強(qiáng)，擴(kuò)大了PHC管樁在高烈度區(qū)橋梁的適用范圍。

關(guān)鍵詞：PHC管樁；地震反應(yīng)分析；樁—土作用

收稿日期：2015-04-06

基金項(xiàng)目：本文系安徽省級質(zhì)量工程項(xiàng)目教學(xué)研究項(xiàng)目“路面工程技術(shù)”(編號：2013gxk141)研究成果。

作者簡介：沈曉燕(1982-)，女，吉林長春人，安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，碩士，研究方向?yàn)楣窐蛄杭夹g(shù)。

中圖分類號：U442.文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1橋梁用PHC管樁抗震性能分析的目的與意義

PHC管樁是一種經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)形式，但目前在橋梁中應(yīng)用較少，相關(guān)的研究不多。普通的PHC管樁是否能夠適用于高速公路橋梁的需要，必須進(jìn)行詳細(xì)的管樁受力性能分析來確定，以從結(jié)構(gòu)理論上解決管樁在橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用問題。本次分析的總體思路是利用空間程序建立一橋梁的整體模型，真實(shí)反映管樁基礎(chǔ)的受力狀態(tài)和機(jī)理，首先尋究普通型管樁應(yīng)用可能性，如果計(jì)算結(jié)果不理想，再改進(jìn)現(xiàn)有的普通型管樁。加強(qiáng)型管樁以不改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝為原則，力求經(jīng)濟(jì)和適用。本文依托徐明高速公路的PHC管樁試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目，詳細(xì)分析PHC管樁抗震性能。

2橋梁用PHC管樁抗震性能要求

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)，確定徐明高速中小跨徑橋梁抗震設(shè)防類別為B類。依據(jù)橋梁橋址地震活動(dòng)性及所在線路等級，擬定采用管樁基礎(chǔ)的中小跨徑橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)見表2-1，抗震性能目標(biāo)及其驗(yàn)算準(zhǔn)則見表2-2。

表2-1中小跨徑橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)

橋梁抗震設(shè)防類別地震水準(zhǔn)與抗震設(shè)防目標(biāo)多遇地震(E1)設(shè)計(jì)地震(中震)罕遇地震(E2)B類不受損,不需修復(fù)。允許部分損傷,修復(fù)后能夠保證通行能力;不發(fā)生落梁。允許有損傷,但不發(fā)生落梁、不倒塌。

表2-2抗震性能目標(biāo)及檢算準(zhǔn)則

設(shè)防水平性能目標(biāo)驗(yàn)算準(zhǔn)則E1地震作用樁基礎(chǔ)保持彈性;M

表中，① 表中M按恒載和地震作用最不利組合(恒載軸力-地震軸力)計(jì)算；②Md-截面彎矩設(shè)計(jì)值；③Mu-截面極限抗彎強(qiáng)度。

綜上所述，樁基抗震性能控制指標(biāo)見表2-3：

表2-3樁基抗震性能控制指標(biāo)

表中，Nc—軸向壓力；Nt—軸向拉力；fcd—混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ftd—混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A—管樁橫截面面積；Qd—剪力設(shè)計(jì)值；Qu—剪力極限值；σc—壓應(yīng)力；σt—拉應(yīng)力。

3模型的建立

3.1整體模型

整體模型采用MIDAS/CIVIL程序建立，如圖3-1所示，上部結(jié)構(gòu)采用空間梁格建立，蓋梁、墩柱、承臺、樁基礎(chǔ)均采用空間梁單元模擬，上部結(jié)構(gòu)與蓋梁采用彈性支座連接，墩柱與蓋梁、承臺采用剛性連接，樁基礎(chǔ)與承臺采用剛性連接，樁基礎(chǔ)采用土彈簧約束。

圖3-1　整體模型圖

3.2邊界條件

1)上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接：邊墩的支座按照滑動(dòng)支座考慮，不模擬水平向的約束。其余墩的支座，豎向采用剛性連接，水平向?yàn)閺椥赃B接，剛度系數(shù)按照容許水平力/容許水平位移計(jì)算。

2)整體模型中由于承臺按照梁模擬，4根樁基礎(chǔ)采用剛臂與承臺連接。

3)樁—土作用的考慮

使用分層文克爾土彈簧模擬樁基礎(chǔ)。將土層分層簡化為文克爾彈簧，假定樁土之間的相互作用力與深度和樁身水平位移的乘積成正比，將群樁基礎(chǔ)中的每排樁視為彈性地基梁，樁土之間的相互作用由彈簧對梁的水平彈性支撐來實(shí)現(xiàn)，稱為等代土彈簧剛度。

σzx=mzxz

其中：a為土層的厚度；b1為樁計(jì)算寬度，按照規(guī)范的有關(guān)規(guī)定取值。

4抗震分析結(jié)果

4.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析中，結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是最基本的動(dòng)力特性。報(bào)告給出了結(jié)構(gòu)的前10階頻率(見表4-1)及1～5階振型圖(如圖4-1～4-5所示)。

表4-1　成橋狀態(tài)動(dòng)力特性

圖4-1　第一階振型

圖4-3　第三階振型

圖4-4　第四階振型

圖4-5　第五階振型

圖4-2　第二階振型

4.2小震(E1)作用下抗震分析結(jié)果

小震(E1)作用下，管樁的地震響應(yīng)如圖4-6～4-10所示。

圖4-6　管樁軸力-x圖

圖4-7　管樁彎矩-y圖

圖4-8　管樁剪力-y圖

圖4-9　管樁應(yīng)力-x圖

圖4-10　管樁軸力-x圖

4.3中震作用下抗震分析結(jié)果

中震作用下，管樁的地震響應(yīng)如圖4-10～4-13所示。

圖4-11　管樁彎矩-y圖

圖4-12　管樁剪力-y圖

4.4大震(E2)作用下抗震分析結(jié)果

大震(E2)作用下，管樁的地震響應(yīng)如圖4-14～4-17所示。

圖4-13　管樁應(yīng)力-x圖

圖4-14　管樁軸力-x圖

圖4-15　管樁彎矩-y圖

圖4-16　管樁剪力-y圖

圖4-17　管樁應(yīng)力-x圖

6結(jié)論

1) 在小震作用下，普通型管樁和PHC-加強(qiáng)型管樁關(guān)鍵部位均保持彈性，管樁自身的彎矩、剪力和樁身結(jié)構(gòu)承載力均小于設(shè)計(jì)值，最不利組合下樁頂應(yīng)力均小于容許應(yīng)力值，均滿足抗震性能要求。

2) 在中震作用下，PHC-加強(qiáng)型管樁關(guān)鍵部位保持彈性，管樁自身的彎矩、剪力和樁身結(jié)構(gòu)承載力小于設(shè)計(jì)值，最不利組合下樁頂應(yīng)力小于容許應(yīng)力值，滿足抗震性能要求；在中震作用下，管樁自身的剪力超過了普通型管樁抗剪設(shè)計(jì)值，普通型管樁不滿足抗震性能要求。

3) 當(dāng)遭遇罕遇地震時(shí)，PHC-加強(qiáng)型管樁自身的彎矩、剪力和樁身結(jié)構(gòu)承載力小于極限值，最不利組合下樁頂應(yīng)力均小于容許應(yīng)力值，滿足抗震性能要求；在罕遇地震作用下，管樁自身的剪力超過了普通型管樁抗剪極限值，普通型管樁不滿足抗震性能要求。

4) 由此可見普通型管樁進(jìn)行適當(dāng)改良之后，可以滿足一般地震烈度區(qū)的橋梁抗震需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭史雄,奚紹中.簡支梁橋的地震反應(yīng)性能[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1998,33(2).

[2]L.C.Fan: Seismic Design of Highway Bridges[M].Huajie International Publishing Co.Limited,1998.

[3]Eurocode 8:Structures in Seismic Regions Design[S].1993.

[4]Camillo Nuti，Giorgio Monti. Analysis of bridges under seismic action[C]// In: Dumaed.proc of 10thECCEE.1995.

[5]范立礎(chǔ),胡世德,葉愛君. 大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6]范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 1996.

責(zé)任編輯：文月