桩-土共同作用建模方法对桥梁地震响应预计的影响研究

曾 勇

(安徽芜铜长江高速公路有限公司，安徽 合肥 230022)



桩-土共同作用建模方法对桥梁地震响应预计的影响研究

曾 勇

(安徽芜铜长江高速公路有限公司，安徽 合肥 230022)

采用嵌固法、m法和p-y曲线法模拟桩-土效应，对比分析不同简化分析方法对桥梁地震响应的影响。研究表明，不论采用什么简化分析模型模拟桩-土-桥梁结构相互作用，是否考虑桩基的材料非线性，都会对桥梁结构的地震响应预计产生显著影响；采用m法计算得到地震响应最大，嵌固的方法次之，p-y曲线法最小。嵌固法和p-y曲线法的计算结果较为接近，尤其是考虑桩基材料非线性后，两者计算结果会更加接近。

桥梁抗震；桩-土效应；有限元建模；地震响应

0 引 言

大量试验研究和理论分析表明[1-6],桩-土-结构相互作用使桥梁体系的动力特性、地震反应等与刚性地基上的结构表现出显著不同,例如自振周期延长、阻尼增加、内力及位移反应改变等。因此,在桥梁抗震设计和地震响应分析过程中,必须将桩-土-桥梁结构所组成的体系作为一个整体研究,对桩、土、桥梁结构进行合理建模,以充分考虑三者之间的相互作用,才能更加精确地预计不同水准地震作用下的桥梁地震响应[7-10]。目前,在桥梁抗震设计中应用比较广泛的桩-土建模方法有嵌固法、6×6弹簧法和m法。此外,还有建模较为复杂的p-y曲线法。

本文依托工程实例,对嵌固法、m法和p-y曲线法进行对比分析,以期对地震作用下桩-土-桥梁结构相互作用建模提供参考依据。

1 工程概况

以合福铁路铜陵长江公铁大桥公路接线工程中的西河特大桥第十联引桥作为典型桥例，桥梁立面布置图和横断面图如图1所示。其中,上部结构采用6×25 m先简支后连续预应力混凝土组合小箱梁,单幅桥面宽度为12.75 m,布置4片小箱梁。下部结构采用钢筋混凝土双柱式桥墩,墩柱直径为1.3 m,桩基均按摩擦桩设计,桩径为1.5 m。

图1 桥梁立面布置及横断面图

工程场地上表面为软土层,底层为砾砂层,中间为砂土(可细分为粉砂、细砂、中砂),土体基本参数见表1所列。

表1 土层基本参数

1.1 地震动输入

根据文献[11],可以得到本桥工程场地在E1和E2地震水准下的设计水平加速度反应谱,并各生成3条与E1、E2相应的谱匹配人工波,规范设计谱与人工波反应谱之间的对比如图2所示。

图2 规范设计谱与人工波反应谱对比图

由图2可知,人工波反应谱与规范设计谱匹配较好,所选人工波能够代表桥址工程场地在E1和E2水准下的地震。

1.2 桥墩地震响应分析

由于桥墩是地震作用下桥梁最易损也是主要耗能构件之一,因此,本文在纵桥向进行非线性动力时程分析,研究不同的桩-土-桥梁结构建模方法对于桥墩地震响应的影响。

根据简化方法的类型以及桩基自身的非线性与否,本文共分嵌固模型(GJ-Elastic和GJ-Fiber)、m法模型(m-Elastic和m-Fiber)、p-y曲线模型(py-Elastic和py-Fiber)6种工况,具体见表2～表4所列。

由于桥址工程场地处的地震峰值加速度PGA比较小,在6条地震波作用下,桥梁结构基本都处于弹性状态,因此,E1和E2水准下分别选择的3条人工波计算结果均较为接近。

鉴于6条地震波的数值结果规律类似,本文仅以E2地震作用下的第3条人工波计算结果为例进行分析。

分析可知,是否考虑桩基的材料非线性对桥梁结构的地震响应影响显著。

表2 各简化模型的墩底曲率表

表3 各简化模型的墩底剪力表

表4 各简化模型的墩底弯矩表

对于纵桥向地震响应,双柱墩中每个墩的地震响应基本相同,故只列出左墩柱的地震响应。由表2可知,在不考虑桩基材料非线性和考虑桩基材料非线性2种情况下,嵌固模型(4倍桩径)的平均计算误差达34.86%,m法模型的平均计算误差达27.63%,p-y曲线模型的平均计算误差达23.74%。因此,不论采用什么简化分析模型模拟桩-土-桥梁结构相互作用,忽略桩基的材料非线性都会导致墩柱曲率计算存在较大误差,甚至偏差。

进一步分析可知,采用m法模型计算得到的墩底曲率值最大,嵌固模型(4倍桩径)次之,p-y曲线法最小。相对来说,采用嵌固模型(4倍桩径)和p-y曲线法的计算结果较接近,尤其是考虑桩基的材料非线性后,两者结果非常接近。

分析表3和表4可知,在不考虑桩基材料非线性和考虑桩基材料非线性2种情况下,对于嵌固模型(4倍桩径),各桥墩墩底的平均剪力计算误差为22.77%,平均弯矩误差为21.45%,固定墩剪力计算误差为29.09%,固定墩弯矩计算误差为28.50%。对于m法模型,各桥墩墩底的平均剪力计算误差为22.52%,平均弯矩误差为23.60%,固定墩剪力计算误差为11.31%,固定墩弯矩计算误差为11.10%。对于p-y曲线法,各桥墩墩底平均剪力计算误差为12.00%,平均弯矩误差为12.74%,固定墩剪力计算误差为23.99%,固定墩弯矩计算误差为25.37%。

进一步分析可知,采用m法计算得到的墩底截面内力值最大,嵌固模型(4倍桩径)次之,p-y曲线法最小,但3种方法计算结果相差较小。

相对来说,采用嵌固模型(4倍桩径)和p-y曲线法的计算结果较接近,尤其是考虑桩基的非线性以后,两者结果非常接近。

2 结 论

(1) 不论采用什么简化分析模型模拟桩-土-桥梁结构相互作用,是否考虑桩基的材料非线性,都会对桥梁结构的地震响应预计产生显著影响。

(2)m法计算得到的地震响应最大,嵌固法次之,p-y曲线法最小。

(3) 嵌固法和p-y曲线法的计算结果较为接近,尤其是考虑桩基材料非线性后,两者计算结果会更加接近。

[1] 韦 晓.桩-土-桥梁结构相互作用振动台试验与理论分析[D].上海:同济大学,1999.

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[11] JTG/T B02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

2016-06-01

曾 勇(1977-)，男，安徽舒城人，硕士，安徽芜铜长江高速公路有限公司高级工程师．

U442.55

A

1673-5781(2016)03-0352-03