不同樁基模擬方法對液化場地橋梁地震響應的影響

祝兵+王沖沖+王晶

摘要：為了考察樁土相互作用以及樁基土液化對橋梁結構地震響應的影響，針對處于可液化場地的某座鐵路三跨預應力連續(xù)梁拱組合橋，利用ANSYS有限元計算軟件建立墩底固結模型Ⅰ及基于m值法和PY曲線法的全樁模型Ⅱ和模型Ⅲ，并對各模型進行振動特性計算分析和時程計算分析。結果表明：3個有限元模型的基本振型相同，均為面外橫向側彎；全樁模型Ⅱ和模型Ⅲ前5階振型分布特點一致，驗證了模型對比分析方式和PY曲線法的合理性；模型Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的一階頻率分別為0.836 69，0.518 95，0.502 78 Hz，拱頂橫向位移時程計算值分別為0.005 13，0.020 3，0.022 1 m；考慮樁土相互作用及液化土非線性后，結構關鍵位置位移響應值進一步增大；所得結論可為今后可液化場地的橋梁進行抗震分析提供參考。

關鍵詞：橋梁抗震；地震響應；PY曲線法；梁拱組合橋；時程計算；液化場地

中圖分類號：U441文獻標志碼：A

Abstract： In order to investigate the influence of pilesoil interaction and pile foundation soil liquefaction on seismic response of bridge structure， model Ⅰ for the bottom of pier consolidation，whole pile model Ⅱ and model Ⅲ based on mvalue method and PY curve method for a railway bridge with threespan prestressed and continuous beamarch combination structure in liquefiable site were established by finite element analysis software ANSYS. The vibration characteristics and time history of models were calculated. The results show that the basic modes of the three finite element models are same， and lateral bending is the basic mode of the bridge. The whole pile model Ⅱ and model Ⅲ have the same first 5 modes， which shows that the model analysis of contrast method and application of PY curve method were reasonable. The first order frequencies of model Ⅰ， Ⅱ and Ⅲ were 0.836 69， 0.518 95， 0.502 78 Hz. The calculation values of lateral displacement of vault were 0.005 13， 0.020 3， 0.022 1 m. The displacement response values of key locations of structure increase while considering the pileliquefied soil interaction and liquefied soil nonlinear. The method can provide a reference for the analysis of bridge seismic liquefiable ground in the future.

Key words： bridge seismic； seismic response； PY curve method； beamarch composite bridge； time history calculation； liquefied site

0引言

震害調查數(shù)據(jù)表明，場地液化是橋梁及房屋等建筑物震害的主要原因之一[13]。因此，如何準確模擬液化場地樁土相互作用、液化土的本構關系及液化土強度弱化是橋梁地震響應分析計算的難點和重點?，F(xiàn)在人們針對處在非液化場地橋梁抗震已做了大量的分析和研究工作，但對于處在液化場地的大跨度橋梁的抗震分析還未形成統(tǒng)一的認識。針對這一問題，各國普遍采用的方法是m值法和PY曲線法[410]。為了考察樁土相互作用及樁基土液化對結構地震響應的影響，本文針對處于可液化場地的某鐵路三跨連續(xù)梁拱組合橋，利用ANSYS有限元計算軟件，分別建立墩底固結模型Ⅰ及基于m值法和PY曲線法的全樁模型Ⅱ和模型Ⅲ，并對各模型進行振動特性計算分析、地震反應譜分析和時程計算分析，對比分析不同樁基的模擬形式對結構振動特性及地震響應的影響。

1工程概況

本文所選取的特大橋為三跨連續(xù)預應力變截面箱梁和鋼管混凝土拱的組合梁橋（圖1），橋跨布置為63.4 m+136 m+63.4 m。該橋主梁為單箱雙室截面，按雙線直梁設計。中跨設加勁拱，兩拱肋采用鋼管混凝土結構，每片拱肋由2根上下弦鋼管和2塊鋼板焊接成啞鈴型斷面（圖2）。拱肋橫向中心距為12.9 m，兩拱肋間設9道橫撐，全橋共設14對吊桿。

結構各墩底樁基土不同深度處“土彈簧”的等效剛度k隨深度z變化。同一土層m取值相同，等效剛度隨深度線性增加?？紤]液化土時給予m值一折減系數(shù)，這一基于線彈性的計算方法不能反映液化土非線性的特征。為了考慮液化土非線性的特征，計算分析液化土非線性對結構地震響應的影響，本文又采用PY曲線法分析了樁土相互作用及液化土非線性對橋梁結構地震響應的影響。

2.2PY曲線法

PY曲線法的基本原理是把土層中的樁簡化為非線性Winkler地基梁，通過分析非線性彈簧的PY關系描述樁土之間的相互作用[1418]。目前，這種方法被廣泛地應用到高層建筑和海洋平臺結構樁基的分析當中，其主要原因是PY曲線法考慮了土的非線性，并且引入了土的強度參數(shù)[1922]。該方法中液化土的極限抗力與土體的有效重度、計算點所在深度、樁徑和土的內摩擦角有關，土層基本計算參數(shù)的取值如表2所示。

4.1地震加速度時程的選定

對空間有限元模型進行地震響應時程分析時，首要問題是選擇合適的地震動激勵輸入。參照該連續(xù)梁拱組合特大橋橋址處地質資料和《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（GB 50111—2006）[13]，該地區(qū)屬于Ⅲ類場地一區(qū)，地震基本烈度為7度，按8度抗震設防。采用常用的El Centro波，做相應的修正后對該大橋3個有限元模型進行時程計算分析。修正后的El Centro波以加速度時程的形式給出，地震動時程曲線如圖6所示。

4.2液化土對結構地震響應的影響

提取結構關鍵部位時程計算結果的位移值和內力值，通過摸型Ⅰ、模型Ⅱ和模型Ⅲ數(shù)據(jù)的比較，分析液化土以及其非線性對結構地震響應的影響。

由于數(shù)據(jù)量較大僅僅取一些關鍵部位進行比較分析。這些關鍵控制部位和激勵方向相同的響應值明顯大于其他方向，故只取和激勵方向相同的激勵值做比較分析。

4.2.1液化土對結構位移響應的影響

分別取1/4拱和拱頂橫向位移作為控制位移。位移響應值如表4所示，相對應的時程曲線見圖7。

由表4及圖7可以看出：

5結語

（1）全樁模型Ⅱ和模型Ⅲ前5階振型分布特點一致，驗證了模型對比分析方式和PY曲線法應用的合理性。

（2）該橋3個有限元模型的基本振型相同，均為橫向側彎，說明面外橫向側彎為該橋的基本振型，橫向側彎振型對該橋位移和穩(wěn)定起到控制作用。模型Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的一階頻率分別為0.836 69，0.518 95，0.502 78 Hz，考慮樁土相互作用及液化土的非線性后該橋結構頻率降低。

（3）考慮樁土相互作用及液化土非線性后，拱頂和1/4拱位置處在橫向地震激勵作用下橫向位移較大，可能出現(xiàn)位移超限，這些位置應作為結構抗震位移控制的關鍵部位，宜通過合理布置橫撐數(shù)量和位置來改善結構的振動特性，加強橫向連接提高主拱橫向剛度和整體穩(wěn)定性。

（4）在地震激勵作用下，中墩3號墩墩底和墩頂剪力明顯大于結構其他部位，說明固定墩在地震中受力較大，應注意此處的剪力控制，并采取相應的控制措施。從時程分析的結果來看，該液化場地土承載力較弱，可以考慮適當提高橋墩的剛度，另外在橋墩可能出現(xiàn)塑性鉸的部位應通過構造配筋，保證塑性鉸的轉動能力。

（5）PY曲線法對液化土本構關系的描述主要取決于土的內摩擦角和重度2個參數(shù)，這2個參數(shù)容易獲得，數(shù)值穩(wěn)定，且并不嚴格依賴于特定的現(xiàn)場土工試驗，因而保證了PY曲線法的適用性和可靠性。本文將分層土抗力PY曲線族的構造計算和ANSYS有限元計算軟件命令流建模方式相結合，通過分段定義“土彈簧”抗力和變形曲線關系的方式，實現(xiàn)了PY曲線法在可液化場地大跨度橋梁地震響應分析中的實際應用。本文的分析方法和思路可為可液化場地樁基橋梁抗震計算分析提供借鑒。

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