桥梁 PHC 管桩基础抗震性能分析

桥梁PHC管桩基础抗震性能分析

沈晓燕

(安徽交通职业技术学院，安徽 合肥230051)

摘要：PHC管桩具有良好的经济性能，近年来在大量的土木工程中得到了应用，但目前国内对其抗震性能的研究较少。对其抗震性能进行深入的研究分析是确保其良好安全性的重要内容。在此以托徐明高速公路桥梁的PHC管桩试点应用工程实例，进行了地震反应谱分析和时程分析，分析时考虑桩-土-结构相互作用PHC管桩的地震反应。研究结果表明：桩-土-结构相互作用减小了PHC管桩的地震反映。普通的PHC管桩很难适应高烈度区桥梁抗震的需要。通过对普通型PHC管桩的适当加强，扩大了PHC管桩在高烈度区桥梁的适用范围。

关键词：PHC管桩；地震反应分析；桩—土作用

收稿日期：2015-04-06

基金项目：本文系安徽省级质量工程项目教学研究项目“路面工程技术”(编号：2013gxk141)研究成果。

作者简介：沈晓燕(1982-)，女，吉林长春人，安徽交通职业技术学院助教，硕士，研究方向为公路桥梁技术。

中图分类号：U442.文献标识码：A

1桥梁用PHC管桩抗震性能分析的目的与意义

PHC管桩是一种经济适用的基础形式，但目前在桥梁中应用较少，相关的研究不多。普通的PHC管桩是否能够适用于高速公路桥梁的需要，必须进行详细的管桩受力性能分析来确定，以从结构理论上解决管桩在桥梁结构的应用问题。本次分析的总体思路是利用空间程序建立一桥梁的整体模型，真实反映管桩基础的受力状态和机理，首先寻究普通型管桩应用可能性，如果计算结果不理想，再改进现有的普通型管桩。加强型管桩以不改变现有生产工艺为原则，力求经济和适用。本文依托徐明高速公路的PHC管桩试点应用项目，详细分析PHC管桩抗震性能。

2桥梁用PHC管桩抗震性能要求

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)，确定徐明高速中小跨径桥梁抗震设防类别为B类。依据桥梁桥址地震活动性及所在线路等级，拟定采用管桩基础的中小跨径桥梁的抗震设防目标见表2-1，抗震性能目标及其验算准则见表2-2。

表2-1中小跨径桥梁抗震设防目标

桥梁抗震设防类别地震水准与抗震设防目标多遇地震(E1)设计地震(中震)罕遇地震(E2)B类不受损,不需修复。允许部分损伤,修复后能够保证通行能力;不发生落梁。允许有损伤,但不发生落梁、不倒塌。

表2-2抗震性能目标及检算准则

设防水平性能目标验算准则E1地震作用桩基础保持弹性;M

表中，① 表中M按恒载和地震作用最不利组合(恒载轴力-地震轴力)计算；②Md-截面弯矩设计值；③Mu-截面极限抗弯强度。

综上所述，桩基抗震性能控制指标见表2-3：

表2-3桩基抗震性能控制指标

表中，Nc—轴向压力；Nt—轴向拉力；fcd—混凝土抗压强度设计值；ftd—混凝土抗拉强度设计值；A—管桩横截面面积；Qd—剪力设计值；Qu—剪力极限值；σc—压应力；σt—拉应力。

3模型的建立

3.1整体模型

整体模型采用MIDAS/CIVIL程序建立，如图3-1所示，上部结构采用空间梁格建立，盖梁、墩柱、承台、桩基础均采用空间梁单元模拟，上部结构与盖梁采用弹性支座连接，墩柱与盖梁、承台采用刚性连接，桩基础与承台采用刚性连接，桩基础采用土弹簧约束。

图3-1　整体模型图

3.2边界条件

1)上部结构与下部结构的连接：边墩的支座按照滑动支座考虑，不模拟水平向的约束。其余墩的支座，竖向采用刚性连接，水平向为弹性连接，刚度系数按照容许水平力/容许水平位移计算。

2)整体模型中由于承台按照梁模拟，4根桩基础采用刚臂与承台连接。

3)桩—土作用的考虑

使用分层文克尔土弹簧模拟桩基础。将土层分层简化为文克尔弹簧，假定桩土之间的相互作用力与深度和桩身水平位移的乘积成正比，将群桩基础中的每排桩视为弹性地基梁，桩土之间的相互作用由弹簧对梁的水平弹性支撑来实现，称为等代土弹簧刚度。

σzx=mzxz

其中：a为土层的厚度；b1为桩计算宽度，按照规范的有关规定取值。

4抗震分析结果

4.1结构动力特性分析

结构动力特性分析中，结构的固有频率和振型是最基本的动力特性。报告给出了结构的前10阶频率(见表4-1)及1～5阶振型图(如图4-1～4-5所示)。

表4-1　成桥状态动力特性

图4-1　第一阶振型

图4-3　第三阶振型

图4-4　第四阶振型

图4-5　第五阶振型

图4-2　第二阶振型

4.2小震(E1)作用下抗震分析结果

小震(E1)作用下，管桩的地震响应如图4-6～4-10所示。

图4-6　管桩轴力-x图

图4-7　管桩弯矩-y图

图4-8　管桩剪力-y图

图4-9　管桩应力-x图

图4-10　管桩轴力-x图

4.3中震作用下抗震分析结果

中震作用下，管桩的地震响应如图4-10～4-13所示。

图4-11　管桩弯矩-y图

图4-12　管桩剪力-y图

4.4大震(E2)作用下抗震分析结果

大震(E2)作用下，管桩的地震响应如图4-14～4-17所示。

图4-13　管桩应力-x图

图4-14　管桩轴力-x图

图4-15　管桩弯矩-y图

图4-16　管桩剪力-y图

图4-17　管桩应力-x图

6结论

1) 在小震作用下，普通型管桩和PHC-加强型管桩关键部位均保持弹性，管桩自身的弯矩、剪力和桩身结构承载力均小于设计值，最不利组合下桩顶应力均小于容许应力值，均满足抗震性能要求。

2) 在中震作用下，PHC-加强型管桩关键部位保持弹性，管桩自身的弯矩、剪力和桩身结构承载力小于设计值，最不利组合下桩顶应力小于容许应力值，满足抗震性能要求；在中震作用下，管桩自身的剪力超过了普通型管桩抗剪设计值，普通型管桩不满足抗震性能要求。

3) 当遭遇罕遇地震时，PHC-加强型管桩自身的弯矩、剪力和桩身结构承载力小于极限值，最不利组合下桩顶应力均小于容许应力值，满足抗震性能要求；在罕遇地震作用下，管桩自身的剪力超过了普通型管桩抗剪极限值，普通型管桩不满足抗震性能要求。

4) 由此可见普通型管桩进行适当改良之后，可以满足一般地震烈度区的桥梁抗震需要。

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