锚定板浅基础桥台抗震性能参数影响分析

杨张能 陈兴冲 马华军 王义 鲁锦华

摘要：基于浅基础桥台震后调查得到的破坏特点，参考锚定板挡土墙，设计出一种锚定板浅基础桥台。通过拟静力试验与有限元软件ABAQUS研究其抗震性能，探讨钢绞线直径、锚定板布置类型、锚定板面积与台背面积比值、台背填土弹性模量和钢绞线长度变化对结构抗震性能的影响规律。结果表明：有锚定板参与时桥台承载能力有明显提升，耗能能力增强;结构破坏主要由土体失效与钢绞线断裂引起，桥台与锚定板未发生破坏;在一定范围内增大钢绞线直径可以显著提升结构的承载能力，减缓刚度退化;提升台背填土弹性模量可以增加桥台承载能力;锚定板布置方式的改变基本不影响桥台承载能力;锚定板面积与台背面积比值较大时结构初始承载能力较强，但后期刚度退化较快;满足设计要求后钢绞线的长度不宜过大。

关键词：桥台; 锚定板; 抗震性能; 拟静力试验; 参数分析

中图分类号： U24      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2024）03-0575-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20221005001

Parameter influence on the seismic behavior of shallow foundation abutments with anchor plates

YANG Zhangneng， CHEN Xingchong， MA Huajun， WANG Yi， LU Jinhua

（School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， Gansu， China）

Abstract： Based on the damage characteristics obtained from the post-earthquake investigation of shallow foundation abutments， a shallow foundation abutment with anchor plates was designed for an anchor plate retaining wall. The seismic performance of the proposed abutment was evaluated with the quasi-static test and finite element software ABAQUS. The effects of various factors， namely， steel strand diameter， anchor plate layout， ratio of anchor plate area to abutment back area， elastic modulus of abutment backfill， and steel strand length， on the seismic performance of the proposed abutment were explored. Results indicate that the bearing and energy dissipation capacities of the abutment improve after the anchor plate is used. The primary causes of structural failure are soil failure and steel strand fracture， and the abutment and anchor plate remain undamaged. Increasing the diameter of the steel strand in a certain range can considerably improve the bearing capacity of the structure and impede stiffness degradation. The bearing capacity of the abutment is basically unaffected by the different arrangements of the anchor plate. The initial bearing capacity of the structure is high when the ratio of the anchor plate area to the abutment back area is large， but the stiffness degradation is fast in the later stage. The length of the steel strand should not be excessively large beyond the design requirements.

Keywords：abutment; anchor plate; seismic performance; quasi-static test; parameter analysis

0 引言

淺基础桥台因其基坑开挖深度较浅，施工简便，成为铁路桥梁常用的桥台形式。桥台作为道路与桥梁的连接部位，在地震中表现出受台后土压力作用且向河心倾斜［1］，过大的台身倾斜将导致桥台前墙与上部结构撞击，从而使桥台开裂［2］，严重者甚至会引起落梁［3］。因此，提高浅基础桥台的抗倾覆能力，成为桥梁抗震设计的关键［4］。

20世纪70年代，国内学者提出了一种锚定板挡土结构物［5］，该结构由钢筋混凝土墙身、拉杆、锚定板以及墙后填土组成［6］，其作用机理是锚定板借助板前被动土压力来平衡挡土墙所受的主动土压力，从而提高结构的稳定性。这种锚定板支挡结构形式已被广泛运用于铁路支挡工程中［7］，并在原来的基础上衍生出了许多新形式［8］。

国内外学者从锚定板的水平承载能力［9-10］、锚固机制［11］、土体破坏形式［12］等方面对锚定板挡土结构物开展了大量研究。为了研究锚定板挡土墙在地震作用下的破坏特点，王红红［13］基于ANSYS软件研究了锚定板挡土墙结构在地震作用下节点的破坏机理。Sahoo等［14］基于拟静力方法分析了地震作用下锚定板与上部砂土间的剪应力，以及在地震中锚定板的抗拔能力。

从以上研究可以发现，现有对锚定板挡土结构物的研究往往关注于锚定板水平承载能力、抗拔能力以及墙后土压力等。拉杆作为连接锚定板与挡土结构物的重要部件，其本身参数对锚定板挡土结构物抗震性能有着重要影响，但目前对拉杆影响作用的研究还很有限，对于锚定板挡土结构物整体抗震性能的影响因素研究有待加强。

结合浅基础桥台抗震设计需求，参考锚定板挡土墙形式，本文设计了一种带锚定板的浅基础桥台。基于拟静力试验并结合有限元软件模拟，研究了拉杆直径、锚定板布置方式、锚定板面积与桥台台背面积比值η［15］、填土参数和拉杆长度等五种影响因素对锚定板浅基础桥台抗震性能的影响，综合比较各参数变化对锚定板浅基础桥台抗震性能影响的规律。研究成果可为地震区锚定板浅基础桥台的应用与推广提供参考。

1 拟静力试验

1.1 试验概况

以我国铁路浅基础桥台为研究对象，设计制作了缩尺比例为1∶10的浅基础桥台模型，基础埋置深度30 cm，台背高度83.2 cm。锚定板布置形式参考葛光宾［6］设计的重力式锚定板挡土墙结构，沿台背从上至下共布置有三层，桥台尺寸及锚定板布置位置如图1所示。试验中模型桥台与锚定板采用C30混凝土浇筑，混凝土28天实测抗压强度为30.3 MPa。桥台纵筋采用Φ8的HRB335钢筋，箍筋采用Φ6的HPB300钢筋，模型配筋如图2所示。锚定板与桥台连接拉筋选用直径5 mm的304不锈钢钢丝绳，钢丝绳两端用U型锁扣分别连接桥台和锚定板浇筑时预埋的钢筋扣。

试验在土工模型箱中进行，模型试验加载装置如图3所示。试验中当土体夯填至设计高度后开挖基坑并吊入预制桥台，继续夯填至指定高度，然后开挖台背土体并安装锚定板，随后采用钢绞线将桥台与锚定板相连，继续夯土直至三层锚定板布置完成。土体实测材料参数列于表1。

设置锚定板的目的是防止桥台在地震中向台前倾覆滑移。为比较锚定板的效果，加载方式为位移控制且只向桥台前重复加载，每一级加载循环3次。通过初步模拟，发现桥台顶水平位移小于12 mm时，桥台顶荷载与位移基本呈线性关系，则设计加载制度为从2 ～12 mm之间采用2 mm步长加载 ，从15 mm开始采用5 mm步长加载至40 mm。加载制度如图4所示。台顶梁重按1/100比例缩小后，施加于模型台顶的竖向集中力为52 kN。

1.2 试验现象

当桥台顶部水平加载位移达到4 mm时，台背与土体之间出现轻微分离现象，之后随着加载位移的增大，裂缝逐渐增大;当加载位移到15 mm时，台背填土表面出现平行于加载方向的裂缝。由试验现象可知，此时钢丝绳被拉直，锚定板开始承载，最上层钢丝绳与土体间的切应力使土体表层出现裂缝；位移加载至25 mm时，由于锚定板分担了桥台所受的土压力，台后土体表面出现垂直于加载方向的新裂缝，距离台背约70 cm，处于最上层锚定板上方，此后台背与台后土体裂缝宽度增幅减小；当位移加载至35 mm，台背与台后土体裂缝宽度再次增大，可以判断锚定板挤压板前土体发生破坏，锚定板开始与板前土体产生相对位移；当位移加载至40 mm时，钢丝绳断裂，试验终止。台后填土表面裂缝情况如图5（a）所示，裂缝位置如图5（b）所示。

试验结束后开挖土体，检查桥台及锚定板破坏情况，发现桥台及锚定板自身并未发生破坏，连接桥台与锚定板的一根钢绞线在台背连接处断裂，如图6所示。

1.3 试验结果及分析

试验得到的锚定板浅基础桥台荷载-位移滞回曲线与骨架曲线如图7所示。由图7（a）可以发现，在加载前期滞回曲线呈梭形，滞回环包围面积较小;随着加载位移增加，浅基础与周围土相互作用的弹塑性效应增强，滞回曲线愈发饱满，耗能能力增强;加载位移继续增大，浅基础周围土体被挤压后进入塑性状态，残余变形增大，滞回环捏缩，体系刚度下降。由于钢绞线未进行预张拉，在加载位移达到10 mm之前，锚定板仍未起作用，桥台-土体系的承载能力主要由地基土来承担；加载位移达到10 mm时承载力达到最大值，随后承载力开始下降；当加載位移至15 mm时，随着连接锚定板的钢绞线被拉紧，锚定板开始参与工作，桥台-土体系的承载能力明显提升。从图7（a）还可以看出，在锚定板工作后滞回环包围面积大于无锚定板时，结构整体耗能能力提升。从图7（b）骨架曲线中发现锚定板的参与明显提高了浅基础桥台的承载能力，且在因钢绞线拉断停止试验时，承载力约为无锚定板时最大承载力的1.69倍。

2 数值模拟

2.1 有限元模型

采用ABAQUS软件建立锚定板浅基础桥台-土体系有限元模型，如图8所示。土体、浅基础桥台和锚定板选用C3D8R三维实体单元模拟，钢绞线只考虑受拉变形，选用T3D2桁架单元模拟，并输入其横截面面积［16］。台背填土选用Mohr-Coulomb本构模拟，参数为：容重γS1=18.1 kN/m3，黏聚力cS=40 kPa，泊松比为0.3。钢绞线本构选用线弹性模型，容重γ1=7 850 kg/m3，弹性模量E1=195 000 MPa。钢筋选用T3D2单元模拟，采用理想弹塑性模型，容重γ2=7 850 kg/m3，弹性模量E1=2.0×105 MPa，泊松比为0.3。混凝土本构选用塑性损伤模型（CDP模型），容重γ2=24 kN/m3，弹性模量E2=30 000 MPa，泊松比为0.2，塑性参数参考文献［17］。

模型中存在多种接触关系，其中桥台与填土接触面、锚定板与填土接触面设置有限滑移的面与面接触，接触方式为法向硬接触。钢绞线与桥台台背、锚定板设置为绑定约束（Tie），选用点面接触方式。桥台内钢筋设置全部嵌入于混凝土内。土体与桥台采用10 cm网格进行划分，锚定板采用2 cm网格进行划分。在土体垂直于X方向的2个侧面约束其X向位移，垂直于Y方向的2个侧面约束其Y向位移，在土体垂直于Z方向的底部采用固结的方式处理。

锚定板浅基础桥台在拟静力试验中包括了锚定板作用前后两个部分，采用单元“生死”功能模拟。本文建模计算主要研究锚定板结构参数变化对桥台抗震性能的影响，为提高模拟效率，只对位移加载为15 mm锚定板作用后的荷载-位移曲线对比分析。

2.2 模型验证

将桥台在锚定板工作后通过试验得到的荷载-位移骨架曲线与模拟结果进行对比，如图9所示。通过对比发现在水平重复加载下，模拟结果与试验结果骨架曲线上升趋势基本相同，承载能力提高程度也基本吻合。因此，所建立的有限元三维实体模型的模拟结果与试验结果相符，数值模拟的效果良好。

3 参数分析

为进一步研究锚定板浅基础桥台在拟静力荷载作用下的抗震性能，采用上述所建立的有限元分析模型，以试验中锚定板浅基础桥台各项参数为基准，通过数值模拟得到的骨架曲线分析不同参数对锚定板浅基础桥台抗震性能的影响。由于在拟静力试验中因钢绞线断裂而终止试验，说明钢绞线参数是影响锚定板浅基础桥台抗震性能的重要因素，所以据此共设置17个工况，综合比对钢绞线长度（从台顶依次向下第一层钢绞线长度L1，第二层钢绞线长度L2，第三层钢绞线长度L3），钢绞线直径d，台背填土弹性模量E，锚定板与台背面积比η等参数的影响。不同工况参数如表2所列。

3.1 钢绞线直径的影响

通过改变钢绞线直径进行有限元分析得到的荷载-位移骨架曲线如图10所示。由图中可知：随着钢绞线直径加粗，工况2、3加载结束时承载能力比工况1分别增大了29.36％、59.21％，整个锚定板浅基础桥台-土体系刚度［18］也有明显增大；当位移加载结束，各工况刚度相比于最开始分别下降了32.52％、27.33％及20.69％。分析结果表明增加钢绞线直径，使试件体系承载能力增大，抗震性能有显著提升。

3.2 台背填土弹性模量的影响

钢绞线直径分别为5 mm与7 mm时，改变台背填土弹性模量分析得到的荷载-位移骨架曲线如图11所示。从图中可以看出，通过增大台背填土的弹性模量，承载能力有所提升，且当钢绞线直径增大，弹性模量提高40 MPa的情况下，承载能力相比钢绞线直径较小时增大了61.68％；在弹性模量提高40 MPa前后，工况1和工况5体系刚度分别下降了32.7％、31.8％，而工况3和工况7体系刚度分别下降了20.62％、27.46％。分析结果表明台背填土弹性模量增加可以提升锚定板浅基础桥台承载能力，但在不同钢绞线直径的条件下，弹性模量变化对结构承载能力影响程度也不同，更粗的钢绞线直径有助于提升台背填土弹性模量对体系承载能力的影响;填土弹性模量同样增加40 MPa，钢绞线直径较大相较于直径较小情况体系刚度下降幅度减小。

3.3 锚定板布置方式的影响

早期学者通过交替改变上下三层拉杆长度共提出三种锚定板布置方式，除图1所示的第一种布置方式外，另外两种锚定板布置方式如图12所示。对这三种锚定板布置方式进行有限元模拟分析，得到的荷载-位移曲线如图13所示。从图13中可以看出第一类锚定板在加载结束时承载能力略大于第二与第三类锚定板，钢绞线直径较大情況下此现象变得较为明显。结果表明三种锚定板布置方式对体系抗震性能影响不大，设计施工中可根据实际情况对比选择不同布置方式。

3.4 锚定板与台背面积比η的影响

依据华祖焜等［15］提出的锚定板面积与挡土结构物面积之比η，钢绞线粗细不同的情况下分析三种不同η值对体系承载能力的影响，如图14所示。从图中可以看出在钢绞线直径较细情况下，η值在0.123～0.493范围内对体系抗震性能几乎没有影响。当钢绞线直径较粗后，前期η值较大的锚定板浅基础桥台承载能力分别提高了7.98％、14.06％，但在加载结束时η值最大的工况承载能力最小，随着η值的减小，加载结束时体系刚度分别退化了20.67％、14.44％、8.63％。分析结果表明η值最大时，虽然加载前期桥台承载能力较强，但在加载结束时，其刚度下降幅度是η值最小时的2.39倍，且承载能力也低于η值最小时的工况。

3.5 钢绞线长度的影响

通过改变钢绞线长度对整个锚定板浅基础桥台-土体系数值模拟得到的荷载-位移骨架曲线如图15所示。从图中可以发现：由于弹性模量E=（F/S）/（ΔL/L），当钢绞线横截面积S与材料未发生变

化时，钢绞线长度L增加后其伸长量ΔL也会随之增加，所以增加钢绞线长度后在加载过程中桥台承载能力增幅相对较低，直至加载结束，三个工况承载能力才相接近。这说明增加钢绞线长度会降低桥台的承载能力，满足设计要求后钢绞线的设计长度不宜过大。

4 结论

通过锚定板浅基础桥台的拟静力试验、有限元建模及参数分析得到以下主要结论：

（1） 锚定板的参与明显改善了桥台的抗震性能，提升了桥台的耗能能力;锚定板桥台的破坏主要由土体失效与钢绞线断裂引起，桥台与锚定板自身未发生破坏。

（2） 钢绞线直径增加可显著提升锚定板浅基础桥台的承载能力，减缓桥台-土体系的刚度退化。

（3） 提高台背填土弹性模量使桥台承载能力增加，且当钢绞线直径加大，提高台背填土弹性模量对提升桥台的承载能力影响更大，结构刚度下降幅度减小。

（4） 改变锚定板的布置方式并不能明显改善桥台的承载能力。

（5） 钢绞线直径较小时，增加锚定板与台背面积比对桥台-土体系的承载能力影响不明显;当钢绞线直径较大时，增加η值可以在加载初期提高结构承载能力，但随着加载进行刚度下降速度加快。

（6） 增加钢绞线长度会降低桥台的承载能力，满足设计要求后钢绞线的设计长度不宜过大。

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（本文编辑：张向红）

基金项目：国家自然科学基金面上项目（57178142）;国家自然科学基金项目（51968039）

第一作者简介：杨张能（1998-），男，硕士研究生，主要从事桥梁抗震方面的研究。E-mail：1090143212@qq.com。

杨张能，陈兴冲，马华军，等.锚定板浅基础桥台抗震性能参数影响分析［J］.地震工程学报，2024，46（3）：575-583.DOI：10.20000/j.1000-0844.20221005001

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