桩土相互作用及其简化方法对连续梁桥地震响应研究

叶 显 亮

(贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳　550009)



桩土相互作用及其简化方法对连续梁桥地震响应研究

叶 显 亮

(贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳550009)

介绍了桩土相互作用的四种简化方法，建立了基于四种方法的连续梁桥模型，并进行了地震响应对比研究，结果表明：建立在桩基支撑的大跨度连续梁桥，应当合理考虑基础刚度或桩—土结构动力相互作用的影响，采用m法、一般p-y法、固结法等方法会高估连续梁桥的地震响应，嵌固法的地震响应比前三者小一些。

连续梁桥，嵌固法，一般p-y法，固结法，地震响应

0　引言

目前，在桥梁结构地震响应分析中，常见的桩—土共同作用简化分析模型主要包括：嵌固法、m法、一般p-y法、固结法。嵌固法是指将桩基础在地表以下一定深度处按固结处理，该方法的分析精度取决于嵌固深度，通常按3倍～5倍的桩径进行固结，本文采取3倍桩径法来处理。m法是指将土体对桩的作用简化为一系列沿桩身连续分布且相互独立的线性弹簧模型。其中，线性弹簧刚度可依据《公路桥涵地基与基础设计规范》[1]，采用桩基础水平静载分析的m法取值。p-y法是根据Matlock(1970)提出的水下软粘土的p-y曲线，p-y曲线是指在水平荷载作用下，地面以下某一深度处的土体水平反力与该点桩的挠度之间的关系曲线。墩底直接固结法是通常采用涉及最广泛的方法，计算出来的地震响应偏大，设计过于保守，造成经济的浪费。因此有必要对桩土响应的简化方法进行对比分析。

1　连续梁桥概况

三跨不等墩高连续梁桥跨径布置为55 m+99 m+55 m。墩号从左至右依次是17号，18号，19号，20号，墩高分别为11 m，13 m，12 m，10 m。上部结构为预应力混凝土箱梁，桥宽12.5 m。

支座采用球形支座，每个墩各安2个，18号墩是固定墩，采用固定支座，其余各墩采用单向和双向支座。边墩17号，20号的墩截面尺寸和配筋相同，下部基础为2×2的桩基布置形式；18号，19号墩截面尺寸和配筋相同，下部基础采用3×3的桩基布置形式。桩基础为φ1.8 m的钻孔灌注桩，长均为45 m。为方便叙述，18号固定墩对应的桩命名为18号桩，19号活动墩对应的桩命名为19号桩。地基土类型从上到下依次是软粘土、细砂土和硬粘土。

2　模型分析

2.1桩—土结构相互作用动力分析模型

采用OpenSEES软件建立有限元模型。主梁采用线弹性梁单元模拟；桥墩、桩采用弹塑性纤维梁柱单元模拟，其中，混凝土采用Kent-Scott-Park本构模型[2]，约束混凝土的抗压强度和极限应变等参数根据Mander公式确定；钢筋采用理想弹塑性双线性本构模型。支座按照JTG/T B02—01—2008公路桥梁抗震设计细则[3]采用相互解耦的4个线弹性连接单元模拟支座在2个水平方向、1个竖向以及绕纵桥向转动等4个自由度上的刚度。

本文为便于分析，工况命名为一般p-y法。

采用墩底直接固结法，完全忽略桩土的相互作用，在墩底底部直接固结。本文将工况命名为固结法。

2.2地震动输入

如图1所示，本文从太平洋地震工程中心的地震波数据(PEER Strong Motion Database)选取3条与之相匹配的实际地震波，其初始峰值加速度PGA分别为0.06g，0.03g和0.05g。根据场地E2地震的加速度峰值PGA，将3条波的PGA统一调整为0.125g×1.7=0.213g。3条实际地震波记录如图1所示，后文为方便叙述，分别将这3条地震波称作为地震波No.1、地震波No.2和地震波No.3。3条波计算出来的位移、剪力、弯矩，取3者的平均值进行分析。

3　数值分析

3.1对位移的影响

图2a)为18号固定墩位移平均值沿墩高分布规律，位移从墩底到墩顶依次增大。图2b)为19号活动墩位移平均值沿墩高分布规律。19号墩位移的总体分布趋势与18号固定墩相同，位移从墩底到墩顶变小。其中p-y法、固结法、1/3 L-m法的位移非常接近，3倍桩径法的位移比前三者都大，原因与固定墩类似。

3.2对弯矩的影响

图3a)为18号固定墩弯矩平均值沿墩高分布规律，弯矩在墩底最大，从墩底到墩顶逐渐减小。3倍桩径法、p-y法、固结法、1/3 L-m法，墩底弯矩分别为198 707 kN·m，255 595.33 kN·m，260 214 kN·m，258 630.33 kN·m。大小依次排序为：3倍桩径法

图3b)中，19号活动墩的弯矩相对固定墩而言很小，弯矩从墩底到墩顶依次减小。3倍桩径法、p-y法、固结法、1/3 L-m法，墩底弯矩分别为19 774.73 kN·m，11 118.25 kN·m，8 824.91 kN·m，9 543.92 kN·m，弯矩大小排序为：3倍桩径法>p-y法>1/3 L-m法>固结法。各个工况的弯矩值相比固定墩的弯矩相差很大，大小规律与固定墩的相反。其中，p-y法、固结法、1/3 L-m法这3种工况下的弯矩较接近，固结法的最小，p-y法最大。墩顶弯矩分别为1 091.79 kN·m，637.71 kN·m，463.44 kN·m，523.91 kN·m，各工况比值为2.36∶1.38∶1∶1.13。在墩顶的弯矩中，3倍桩径法的弯矩最大，且相差较悬殊。原因与剪力分析类似，不再赘述。

4　结语

本文建立了3倍桩径法、一般p-y法、固结法、1/3 L-m法4种工况进行对比研究，主要结论如下：

1)在纵位移响应分析当中，3倍桩径法的位移最大，固结法、p-y法、1/3 L-m法这3种方法的位移都很小，且较为接近。说明固结法、p-y法、1/3 L-m法都大大高估了桩基的刚度，容易低估桥梁的位移响应。

2)在弯矩分析当中，3倍桩径法得到的固定墩剪力、弯矩最小，固结法、p-y法和1/3 L-m法这3种方法得到的剪力、弯矩较大，且远远大于3倍桩径法。活动墩纵向剪力、弯矩的变化恰好与固定墩相反，固结法、p-y法和1/3 L-m法较小。

3)固结法、p-y法和1/3 L-m法这三种模拟桩土相互作用的方法得到的地震响应会比较大，大大提高了桥墩的需求。如果采用3倍桩径法来模拟，需求会小一些。

[1]JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[2]Scott BD,Park R,Priestley MJN.Stress-strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates[J].ACI Journal,1982,79(1):13-27.

[3]JTG/T B02—01—2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

On mutual effect of piles and soil and seismic effect on continous bridge with its simplified method

Ye Xianliang

(GuizhouExpresswayGroupCo.,Ltd,Guiyang550009,China)

The paper introduces the four simplified methods for the mutual effect of piles and soil, establishes the continuous bridge models to undertake seismic response comparison, proves by the result that the influence of basement stiffness or pile-soil structure’s dynamic mutual effect should be considered in setting up the large-span continous bridge on the pile foundation support, and the seismic response will be overestimated by adopting m method, general p-y method or consolidation method while the seismic response of the embedded method is relatively smaller compared with the others.

continuous bridge, embedded method, general p-y method, consolidation method, seismic response

1009-6825(2016)23-0171-03

2016-06-03

叶显亮(1973- )，男，高级工程师

U441.3

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