曾 勇

(安徽蕪銅長江高速公路有限公司，安徽 合肥 230022)

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樁-土共同作用建模方法對(duì)橋梁地震響應(yīng)預(yù)計(jì)的影響研究

曾 勇

(安徽蕪銅長江高速公路有限公司，安徽 合肥 230022)

采用嵌固法、m法和p-y曲線法模擬樁-土效應(yīng)，對(duì)比分析不同簡(jiǎn)化分析方法對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響。研究表明，不論采用什么簡(jiǎn)化分析模型模擬樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)相互作用，是否考慮樁基的材料非線性，都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)預(yù)計(jì)產(chǎn)生顯著影響；采用m法計(jì)算得到地震響應(yīng)最大，嵌固的方法次之，p-y曲線法最小。嵌固法和p-y曲線法的計(jì)算結(jié)果較為接近，尤其是考慮樁基材料非線性后，兩者計(jì)算結(jié)果會(huì)更加接近。

橋梁抗震；樁-土效應(yīng)；有限元建模；地震響應(yīng)

0 引 言

大量試驗(yàn)研究和理論分析表明[1-6],樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用使橋梁體系的動(dòng)力特性、地震反應(yīng)等與剛性地基上的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著不同,例如自振周期延長、阻尼增加、內(nèi)力及位移反應(yīng)改變等。因此,在橋梁抗震設(shè)計(jì)和地震響應(yīng)分析過程中,必須將樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)所組成的體系作為一個(gè)整體研究,對(duì)樁、土、橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理建模,以充分考慮三者之間的相互作用,才能更加精確地預(yù)計(jì)不同水準(zhǔn)地震作用下的橋梁地震響應(yīng)[7-10]。目前,在橋梁抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛的樁-土建模方法有嵌固法、6×6彈簧法和m法。此外,還有建模較為復(fù)雜的p-y曲線法。

本文依托工程實(shí)例,對(duì)嵌固法、m法和p-y曲線法進(jìn)行對(duì)比分析,以期對(duì)地震作用下樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)相互作用建模提供參考依據(jù)。

1 工程概況

以合福鐵路銅陵長江公鐵大橋公路接線工程中的西河特大橋第十聯(lián)引橋作為典型橋例，橋梁立面布置圖和橫斷面圖如圖1所示。其中,上部結(jié)構(gòu)采用6×25 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土組合小箱梁,單幅橋面寬度為12.75 m,布置4片小箱梁。下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土雙柱式橋墩,墩柱直徑為1.3 m,樁基均按摩擦樁設(shè)計(jì),樁徑為1.5 m。

圖1 橋梁立面布置及橫斷面圖

工程場(chǎng)地上表面為軟土層,底層為礫砂層,中間為砂土(可細(xì)分為粉砂、細(xì)砂、中砂),土體基本參數(shù)見表1所列。

表1 土層基本參數(shù)

1.1 地震動(dòng)輸入

根據(jù)文獻(xiàn)[11],可以得到本橋工程場(chǎng)地在E1和E2地震水準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)水平加速度反應(yīng)譜,并各生成3條與E1、E2相應(yīng)的譜匹配人工波,規(guī)范設(shè)計(jì)譜與人工波反應(yīng)譜之間的對(duì)比如圖2所示。

圖2 規(guī)范設(shè)計(jì)譜與人工波反應(yīng)譜對(duì)比圖

由圖2可知,人工波反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計(jì)譜匹配較好,所選人工波能夠代表橋址工程場(chǎng)地在E1和E2水準(zhǔn)下的地震。

1.2 橋墩地震響應(yīng)分析

由于橋墩是地震作用下橋梁最易損也是主要耗能構(gòu)件之一,因此,本文在縱橋向進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析,研究不同的樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)建模方法對(duì)于橋墩地震響應(yīng)的影響。

根據(jù)簡(jiǎn)化方法的類型以及樁基自身的非線性與否,本文共分嵌固模型(GJ-Elastic和GJ-Fiber)、m法模型(m-Elastic和m-Fiber)、p-y曲線模型(py-Elastic和py-Fiber)6種工況,具體見表2～表4所列。

由于橋址工程場(chǎng)地處的地震峰值加速度PGA比較小,在6條地震波作用下,橋梁結(jié)構(gòu)基本都處于彈性狀態(tài),因此,E1和E2水準(zhǔn)下分別選擇的3條人工波計(jì)算結(jié)果均較為接近。

鑒于6條地震波的數(shù)值結(jié)果規(guī)律類似,本文僅以E2地震作用下的第3條人工波計(jì)算結(jié)果為例進(jìn)行分析。

分析可知,是否考慮樁基的材料非線性對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響顯著。

表2 各簡(jiǎn)化模型的墩底曲率表

表3 各簡(jiǎn)化模型的墩底剪力表

表4 各簡(jiǎn)化模型的墩底彎矩表

對(duì)于縱橋向地震響應(yīng),雙柱墩中每個(gè)墩的地震響應(yīng)基本相同,故只列出左墩柱的地震響應(yīng)。由表2可知,在不考慮樁基材料非線性和考慮樁基材料非線性2種情況下,嵌固模型(4倍樁徑)的平均計(jì)算誤差達(dá)34.86%,m法模型的平均計(jì)算誤差達(dá)27.63%,p-y曲線模型的平均計(jì)算誤差達(dá)23.74%。因此,不論采用什么簡(jiǎn)化分析模型模擬樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)相互作用,忽略樁基的材料非線性都會(huì)導(dǎo)致墩柱曲率計(jì)算存在較大誤差,甚至偏差。

進(jìn)一步分析可知,采用m法模型計(jì)算得到的墩底曲率值最大,嵌固模型(4倍樁徑)次之,p-y曲線法最小。相對(duì)來說,采用嵌固模型(4倍樁徑)和p-y曲線法的計(jì)算結(jié)果較接近,尤其是考慮樁基的材料非線性后,兩者結(jié)果非常接近。

分析表3和表4可知,在不考慮樁基材料非線性和考慮樁基材料非線性2種情況下,對(duì)于嵌固模型(4倍樁徑),各橋墩墩底的平均剪力計(jì)算誤差為22.77%,平均彎矩誤差為21.45%,固定墩剪力計(jì)算誤差為29.09%,固定墩彎矩計(jì)算誤差為28.50%。對(duì)于m法模型,各橋墩墩底的平均剪力計(jì)算誤差為22.52%,平均彎矩誤差為23.60%,固定墩剪力計(jì)算誤差為11.31%,固定墩彎矩計(jì)算誤差為11.10%。對(duì)于p-y曲線法,各橋墩墩底平均剪力計(jì)算誤差為12.00%,平均彎矩誤差為12.74%,固定墩剪力計(jì)算誤差為23.99%,固定墩彎矩計(jì)算誤差為25.37%。

進(jìn)一步分析可知,采用m法計(jì)算得到的墩底截面內(nèi)力值最大,嵌固模型(4倍樁徑)次之,p-y曲線法最小,但3種方法計(jì)算結(jié)果相差較小。

相對(duì)來說,采用嵌固模型(4倍樁徑)和p-y曲線法的計(jì)算結(jié)果較接近,尤其是考慮樁基的非線性以后,兩者結(jié)果非常接近。

2 結(jié) 論

(1) 不論采用什么簡(jiǎn)化分析模型模擬樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)相互作用,是否考慮樁基的材料非線性,都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)預(yù)計(jì)產(chǎn)生顯著影響。

(2)m法計(jì)算得到的地震響應(yīng)最大,嵌固法次之,p-y曲線法最小。

(3) 嵌固法和p-y曲線法的計(jì)算結(jié)果較為接近,尤其是考慮樁基材料非線性后,兩者計(jì)算結(jié)果會(huì)更加接近。

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[11] JTG/T B02-01-2008,公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

2016-06-01

曾 勇(1977-)，男，安徽舒城人，碩士，安徽蕪銅長江高速公路有限公司高級(jí)工程師．

U442.55

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1673-5781(2016)03-0352-03