基础刚度对框架墩地震响应的影响

刘孟云

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)

基础刚度对框架墩地震响应的影响

刘孟云

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)

文章以京沈客专某跨线框架墩为研究对象，运用有限元软件Midas/civil建立框架墩的三维空间动力分析模型，研究了基础刚度对框架墩地震反应的影响。对该框架墩在0.5倍基础刚度、1倍基础刚度、2倍基础刚度、3倍基础刚度条件下分别进行多遇地震作用下的弹性时程反应分析，分析基础刚度的变化对框架墩地震反应的影响并总结影响规律。结果表明：(1)框架墩的基础刚度对其自振特性影响显著，自振频率随着基础刚度的增大而增大；(2)基础刚度的变化对框架墩的地震响应影响显著，尤其是对框架墩墩柱的地震响应影响更加明显，其地震响应随着框架墩基础刚度的增加而增加；(3)框架墩的地震响应并不是随着基础刚度线性变化的，当基础刚度较小时框架墩的地震响应变化更明显。

框架墩； 基础刚度； 时程反应分析； 地震反应

客运专线铁路速度快，曲线半径大，常需小角度跨越既有公路、铁路、管线等，因此具有布置灵活、施工工期短、经济性好、跨越能力强等优点的框架墩—梁结构被广泛采用，并成为客运专线铁路建设中的常用结构形式。在实际工程中，框架墩刚横梁与墩柱的连接一般采用刚接，一方面减小了刚横梁所承受的弯矩，另一方面加强了框架墩的整体性，使其具有较好的抗震性能[2]。

由于框架墩自身的刚度较大且整体结构为多次超静定体系，框架墩对基础的约束模拟非常敏感。在静力计算中为了克服该影响，通常以计算的1倍基础刚度控制横梁的变形，2倍或3倍基础刚度控制墩柱的配筋。在地震作用下其地震反应较为复杂，对框架墩内力影响非常敏感的基础约束条件的模拟，同样也会对其地震响应产生影响[5]。

本文以京沈客运专线的某框架墩为研究背景，分别在0.5倍基础刚度、1倍基础刚度、2倍基础刚度及3倍基础刚度4种工况下对该框架墩进行多遇地震作用下的弹性时程反应分析，分析对比框架墩基础刚度的变化对其自振特性以及地震响应的影响，并总结影响规律。

1 工程概况

京沈客运专线某铁路桥框架墩，跨越既有高压输油管道，框架墩横向跨度17 m，横梁采用预应力混凝土结构，混凝土强度等级为C50。墩柱高10 m，采用钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C40。框架墩上部支撑(32+32)m简支箱梁。框架墩立面布置如图1所示。

图1 框架墩立面布置图(cm)

横梁跨中梁高为3.0 m，支点处梁高为3.5 m，梁宽为3.5 m，支座位置处采用实心截面，支座左侧9.15 m范围内为空心截面，顶底板、腹板厚度均取0.5 m，横梁与墩柱交界处设置1.5 m×0.5 m倒角。墩柱采用等截面，纵向宽度为3.3 m，横向宽度为3.0 m，柱周采用R=25 cm圆倒角。框架墩基础采用桩基础，其中左墩基础采用5根桩径为1.25 m的桩，右墩基础采用6根桩径为1.5 m的桩。框架墩与上部主梁设置铁路桥梁球型支座TJQZ-8360，支座在框架墩横梁上不对称布置，支座位置分别距横梁右端1.75 m、6.25 m。横梁及桥墩截面尺寸如图2和图3所示。

图2 横梁截面(cm)

图3 桥墩截面(cm)

2 动力模型的建立及基础刚度的计算

2.1 动力分析模型的建立

采用MIDAS/Civil建立框架墩的三维空间有限元模型，其中横梁、桥墩、承台均采用空间梁单元模拟。框架墩上部支撑的主梁自重及二期恒载采用质量单元模拟，单支座自重反力为2 055 kN，二期恒载按160 kN/m计算，并将上部结构的质量集中在对应的横梁节点上。桩—土相互作用效应通过“六弹簧法”进行模拟，在承台底施加线性的节点弹性支承模拟地基土的抗力作用。建立的动力有限元模型如图4所示。

图4 框架墩动力有限元模型

2.2 基础刚度的计算

在采用“六弹簧法”模拟框架墩基础时，首先计算在承台底部中心分别施加单位水平力及弯矩时承台底的变形，进而计算集中弹簧的各方向刚度[6]。本文为了分析基础刚度对框架墩地震反应的影响，选取0.5倍的基础刚度、1倍的基础刚度、2倍的基础刚度及3倍的基础刚度共4种工况，对框架墩进行多遇地震作用下的弹性时程反应分析。各工况下的基础刚度如表1所示。

表1 各工况下的基础刚度

3 基础刚度对框架墩自振特性的影响

分别计算0.5倍基础刚度、1倍基础刚度、2倍基础刚度及3倍基础刚度4种工况下框架墩的自振特性，分析基础刚度对框架墩自振特性的影响。各工况下框架墩的自振频率对比如表2所示。

表2 各工况下框架墩自振频率对比

由表2的结果可以看出：

(1)由于框架墩横梁与墩柱刚性连接且墩高较低，框架墩的整体刚度较大，在1倍基础刚度下，其基频约为1.3～2.0 Hz。

(2)基础刚度对框架墩的自振特性影响显著，其自振频率随着基础刚度的增大而增大。

(3)前四阶自振频率与后四阶相比，框架墩的基础刚度对其基频的影响较高阶频率更加敏感。

4 基础刚度对框架墩地震反应的影响

本场地地震动峰值加速度为0.05 g(地震基本烈度为6度)，反应谱特征周期分区为一区，场地类别为Ⅲ类。本文选取桥址场地类别相近的地震波—Taft波作为地震激励。其所选的地震波加速度时程曲线如图5所示。

图5 Taft波加速度时程曲线

在输入地震波时，根据规范要求的多遇地震加速度值对所选地震波的加速度峰值做了调整，调整后的加速度峰值为0.05 g，以确保弹性时程分析的合理性。由于是弹性最大地震反应分析，可以将持续时间取短些，现取时间为30 s。

将所选的地震波—Taft波沿纵桥向输入，分别在0.5倍基础刚度、1倍基础刚度、2倍基础刚度及3倍基础刚度4种工况下对该框架墩进行多遇地震作用下的弹性时程反应分析，整理时程分析结果。以1倍基础刚度下框架墩右墩墩底弯矩的时程分析结果为基准，分别与0.5倍基础刚度、2倍基础刚度、3倍基础刚度的时程结果进行对比，对比结果如图6～图8所示。

图6 1倍、0.5倍基础刚度下墩底弯矩时程曲线对比

图7 1倍、2倍基础刚度下墩底弯矩时程曲线对比

图8 1倍、3倍基础刚度下墩底弯矩时程曲线对比

由图6～图8可以看出，与1倍基础刚度相比较，当框架墩的基础刚度降低时，墩底弯矩随之减小，当框架墩的基础刚度增加时，墩底弯矩随之增大。

为了具体分析总结基础刚度的变化对框架墩地震响应的影响规律，对以上4种工况下框架墩关键截面的地震响应进行汇总分析。框架墩横梁跨中、墩柱墩顶、墩底剪力和弯矩响应汇总对比如表3和表4所示。

表3 多遇地震作用下各工况关键截面内力汇总

表4 多遇地震作用下各工况关键截面内力对比

通过表3、表4的计算结果可以看出：

(1)基础刚度的变化对框架墩地震响应影响显著，尤其是对框架墩墩柱的地震响应影响更加明显。

(2)与基础刚度增加相比较，当基础刚度减小时框架墩的地震响应变化更明显。基础刚度减小0.5倍，框架墩的地震响应减小达到35%～40%。

(3)2倍的基础刚度与3倍的基础刚度相比，2倍的基础刚度时地震响应增加更多，说明框架墩的地震响应并不是随着基础刚度线性变化的。

(4)同一基础刚度条件下，该框架墩左墩柱与右墩柱地震响应的变化是不对称的，这是由于上部主梁的支点位置不对称造成的。

将所选的地震波—Taft波沿横桥向输入，分别在0.5倍基础刚度、1倍基础刚度、2倍基础刚度及3倍基础刚度4种工况下对该框架墩进行多遇地震作用下的弹性时程反应分析，得出的结论与纵桥向输入地震波的结论一致。

5 结论

通过在框架墩不同基础刚度的条件下对其进行多遇地震纵横向作用下的弹性时程反应分析，可以得到如下结论：

(1)框架墩的基础刚度对其自振特性影响显著，自振频率随着基础刚度的增大而增大，与高阶频率相比，基础刚度对其低阶频率的影响更显著。

(2)基础刚度的变化对框架墩的地震响应影响显著，尤其是对框架墩墩柱的地震响应影响更加明显，其地震响应随着框架墩基础刚度的增加而增加。

(3)框架墩的地震响应并不是随着基础刚度线性变化的，当基础刚度较小时框架墩的地震响应变化更明显。

(4)同一基础刚度条件下，该框架墩左墩柱与右墩柱地震响应的变化是不对称的，

这是由于上部主梁的支点位置不对称造成的，在对框架墩进行设计时应综合考虑横梁、墩柱以及基础的刚度对框架墩整体抗震性能的影响。

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Effect of Foundation Stiffness on Seismic Response of Frame Pier

LIU Mengyun

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300140,China)

Taking a cross-line frame pier on Beijing-Shenyang passenger dedicated line as the research object, this paper established a spatial dynamic analysis model of frame pier with finite element software Midas/civil and analyzed the effect of foundation stiffness on seismic response of frame pier. Through elastic time history response analysis of the frame pier under earthquake action，which on the condition of 0.5 times of foundation stiffness, 1 time of foundation stiffness, 2 times of foundation stiffness and 3 times of foundation stiffness. The influence of the change of foundation stiffness on seismic response of frame pier is analyzed and the influence law is summarized. The results show: (1)The foundation stiffness of the frame pier has a significant impact on its free vibration characteristic，and the natural frequency increases with the increase of the foundation stiffness. (2)The change of foundation stiffness has a significant impact on the seismic response of frame pier, especially the seismic response of column of the frame pier, and the seismic response increases with the increase of the foundation stiffness of frame pier. (3)The seismic response of the frame pier is not linear changed with the foundation stiffness, and the seismic response of the pier is more obvious when the foundation stiffness is smaller.

frame pier; foundation stiffness; time-histories response analysis; seismic response

2016-05-23

刘孟云(1979-)，男，工程师。

1674—8247(2016)05—0016—04

U443.22

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