管樁型鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震彈塑性分析

廖杰洪

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　上?！?00070)

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管樁型鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震彈塑性分析

廖杰洪

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司上海200070)

基于SAP2000軟件，分析管樁鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震彈塑性?？紤]了樁土的非線性關(guān)系，采用折減圓柱樁截面的方法模擬等外徑管樁，并采用調(diào)整應(yīng)力-應(yīng)變的方法模擬先張法產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力。采用A、AB型PHC樁時(shí)下部結(jié)構(gòu)抗震性能較差；管樁塑性鉸發(fā)生在樁頂0～8倍范圍，建議高烈度地區(qū)管樁螺旋筋加密區(qū)取8倍樁徑。

鐵路橋梁；PHC管樁；pushover；抗震性能

E-mail:liaojiehong@163.com

0　引言

我國(guó)工程抗震設(shè)計(jì)采用三水準(zhǔn)兩階段的方法?！惰F路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111-2006)中也有詳盡的方法計(jì)算多遇地震，但對(duì)罕遇地震下如何保證橋梁大震不倒則僅僅提出了橋墩增設(shè)護(hù)面鋼筋及加強(qiáng)承臺(tái)與樁的連接的抗震措施。對(duì)于獨(dú)柱式橋墩有兩種破壞模式[1]：柱底破壞或樁頂破壞。張永亮[2]進(jìn)行了混凝土橋墩縮尺模型的擬靜力試驗(yàn)和有限元分析，模型最終土體破壞或樁基破壞。包涵[3]利用SAP2000對(duì)高速鐵路鐵路橋墩進(jìn)行了pushover分析，結(jié)果表明樁基為能力保護(hù)構(gòu)件。李天寶[4]等進(jìn)行了高樁承臺(tái)橋墩縮尺的擬靜力試驗(yàn)和有限元分析，破壞模式為樁基開(kāi)裂和土體破壞。然而，以上分析皆為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，對(duì)于鐵路橋梁采用管樁基礎(chǔ)的分析較少。

本文采用SAP2000對(duì)采用管樁基礎(chǔ)的高速鐵路橋墩進(jìn)行pushover分析，研究獲取橋梁下部結(jié)構(gòu)在地震的危險(xiǎn)區(qū)域和破壞模式，為管樁在鐵路橋梁基礎(chǔ)的應(yīng)用提供參考。

1　計(jì)算模型

1.1整體模型

本文研究對(duì)象為連鎮(zhèn)客專中某一橋墩：雙線、設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h、32m簡(jiǎn)支箱梁、圓端型橋墩、墩高8m。本文計(jì)算采用8根1.0m鉆孔樁(樁長(zhǎng)47m，混凝土等級(jí)C30，縱筋配筋率0.5%(20C16)及1.0%(20C25)兩種，箍筋A(yù)10@110)或者8根直徑1m壁厚130mm的預(yù)應(yīng)力PHC管樁(樁長(zhǎng)47m，中掘法沉樁，PHC管樁詳見(jiàn)《預(yù)應(yīng)力管樁圖集》(10G409))，土層信息如表1所示。根據(jù)葉愛(ài)君[5]等的分析，軸向力越大對(duì)橋墩抗側(cè)向力越有利，本文不考慮活載的豎向作用。

表1　土層信息表

整體模型示意圖如圖1所示，橋墩和樁皆采用桿單元，樁上部10m，每1m設(shè)置一個(gè)非線性彈簧單元模擬樁與土相互作用，樁下部其他區(qū)域每4m設(shè)置一個(gè)彈簧單元，樁-土彈簧單元力-位移關(guān)系見(jiàn)1.2節(jié)。

加載時(shí)采用位移控制，控制位移點(diǎn)為墩頂位移。

圖1　模型示意圖

1.2樁土相互作用模型

大震下變形較大，樁基土進(jìn)入塑性。目前m法使用于變形較小的線性分析。美國(guó)石油協(xié)會(huì)規(guī)范[6]和《港口工程樁基規(guī)范》(JTS 167-4-2012)中都提到了p-y法，文獻(xiàn)[2,3]采用該方法，獲得較好結(jié)果。樁側(cè)土水平抗力-位移關(guān)系、樁周土豎向摩阻力-位移關(guān)系、樁尖土豎向抗力-位移關(guān)系參考美國(guó)石油學(xué)會(huì)API 規(guī)范及港口工程樁基規(guī)范給出循環(huán)荷載作用下p-y曲線，t -z曲線及q -z曲線。

1.3塑性鉸模型

文獻(xiàn)[2～4]中皆采用SAP2000自定義PMM耦合塑性鉸。 本文采用分布PMM 塑性鉸模擬樁身的非線性受力特性，即沿著構(gòu)件在可能發(fā)生塑性的區(qū)域設(shè)置多個(gè)塑性鉸。根據(jù)各小區(qū)段塑性鉸的開(kāi)展可以確定樁身塑性鉸的分布范圍，本文在樁身兩非線性彈簧中點(diǎn)設(shè)置一個(gè)塑性鉸。墩身塑性鉸設(shè)置在墩底部。塑性鉸采用SAP2000自帶FEMA 356自動(dòng)生成。

1.4預(yù)應(yīng)力管樁的模擬

定向運(yùn)動(dòng)的開(kāi)展離不開(kāi)定向地圖,而定向地圖又和常用的地圖有所不同，它不可以從網(wǎng)絡(luò)上直接下載，需要在原始的衛(wèi)星圖基礎(chǔ)上，進(jìn)行計(jì)算比例尺，考察實(shí)際地形來(lái)繪制地圖。所以，定向運(yùn)動(dòng)的開(kāi)展離不開(kāi)定向制圖人才。但是，據(jù)調(diào)查，南京普通高校定向運(yùn)動(dòng)的定向制圖人才并不能滿足學(xué)生的需求。

由于SAP2000不能直接添加預(yù)應(yīng)力，采用傳統(tǒng)降溫方法無(wú)法解決樁身多點(diǎn)非線性約束問(wèn)題，也不能在簡(jiǎn)單桿系單元中實(shí)現(xiàn)，本文采用采用修改混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變方法來(lái)考慮預(yù)應(yīng)力作用?；炷猎紤?yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)為0-0，施加預(yù)應(yīng)力后為σ1-ε1，施加外力作用后加增量σ-ε。外力及預(yù)應(yīng)力綜合應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)?(σ+σ1)-(ε+ε1)。應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)假定為：

(σ+σ1)=f(ε+ε1)

(1)

將坐標(biāo)軸向X軸方向移動(dòng)ε1，Y方向移動(dòng)σ1：

(σ+σ1-σ1)=f(ε+ε1-ε1)

(2)

得到應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)：

σ=f(ε)

(3)

即為用以計(jì)算不包括預(yù)應(yīng)力新增外力的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

國(guó)標(biāo)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(10G409)1 000mm直徑管樁AB型有效預(yù)應(yīng)力分別為6.75MPa，修改后與原應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。預(yù)應(yīng)力鋼棒屈服強(qiáng)度取σ0.2=1 275MPa，極限強(qiáng)度取1 420MPa。預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度設(shè)置為屈服強(qiáng)度或極限強(qiáng)度減去預(yù)應(yīng)力損失后的張拉應(yīng)力，1 000mm直徑管樁A、AB、B、C型鋼筋屈服強(qiáng)度分別設(shè)為405MPa、440MPa、475MPa、505MPa，極限強(qiáng)度分別設(shè)為550MPa、585MPa、620MPa、650MPa。

圖2　混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線調(diào)整

2　計(jì)算結(jié)果分析

2.1骨架曲線比較

采用鉆孔樁及不同型號(hào)PHC管樁橋墩的基底剪力-位移曲線如圖3、圖4所示，圖中A、AB、B、C表示PHC樁型號(hào)，0.5%及1.0%表示鉆孔樁配筋率。從圖中得出如下結(jié)論：

(1)采用管樁后，橋墩剛度明顯降低，這與管樁剛度小于鉆孔樁剛度吻合。

(2)采用A型樁時(shí)抗側(cè)能力較差，縱向力作用時(shí)基底極限剪力僅1672kN，僅相當(dāng)于其他樁50%～70%，橫橋向時(shí)僅3 362kN，僅相當(dāng)于其他樁80%左右。這與A型樁配筋較少有關(guān)，其抗彎承載能力較弱。

(3)除A型樁外，其他樁基底極限剪力接近，這時(shí)橋墩已進(jìn)入塑性。

(4)鉆孔樁配筋率為0.5%時(shí)水平段較短，在頂部位移達(dá)到5cm時(shí)，即進(jìn)入下降段，抗震性能較差。而PHC管樁，AB型樁在到達(dá)極限承載力附近即開(kāi)始下降，抗震性能也較差。建議用于抗震設(shè)防烈度為7、8度地區(qū)的鐵路橋梁樁基鉆孔樁根據(jù)計(jì)算確定；采用PHC管樁時(shí)，宜采用B型樁或C型樁。

圖3　縱橋向基底剪力-墩頂位移曲線

圖4　橫橋向基底剪力-墩頂位移曲線

2.2塑性鉸發(fā)生區(qū)域比較

縱橋向、橫橋向樁基和橋墩塑性鉸位置及產(chǎn)生順序如圖5、6所示，圖中小圓點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)位置，大圓點(diǎn)表示塑性鉸產(chǎn)生位置，橫橋向A、AB、B型樁塑性鉸位置與C型樁一致。

根據(jù)塑性鉸產(chǎn)生位置及順序得出如下結(jié)論：

(1)本文工況中管樁縱橋向樁身塑性鉸范圍發(fā)生在0～6倍樁徑范圍，橫橋向在0～7倍范圍。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的模擬，墩高越高則塑性鉸發(fā)生位置上移。本文計(jì)算了墩高為3m時(shí)工況，塑性鉸范圍發(fā)生在0～8倍樁徑范圍。建議在鐵路重力式橋墩高烈度地區(qū)采用管樁時(shí)增加螺旋筋加密長(zhǎng)度至8倍樁徑附近。

(2)隨著預(yù)應(yīng)力的增加，樁身抗彎能力增加，塑性鉸出現(xiàn)區(qū)域變小，C型樁不出現(xiàn)塑性鉸，塑性鉸出現(xiàn)在墩底。

(3)樁基為隱蔽工程，修復(fù)困難，采用B型或C型樁，樁塑性鉸區(qū)域范圍小，相比鉆孔樁有利抗震。

圖5　縱橋向作用時(shí)樁基和橋墩塑性鉸

圖6　橫橋向作用時(shí)樁基和橋墩塑性鉸

3　結(jié)論

(1)本文樁土接觸模型、預(yù)應(yīng)力管樁模型及計(jì)算結(jié)果對(duì)管樁基礎(chǔ)的模擬和抗震設(shè)計(jì)具有參考作用。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，A、AB型樁抗震性能較差，建議抗震設(shè)防烈度為7、8度地區(qū)的鐵路橋梁樁基采用PHC管樁時(shí)，重力式鐵路橋墩樁基采用B型或C型樁。

(3)鐵路重力式橋墩管樁塑性鉸發(fā)生在樁頂0～8倍范圍，建議高烈度地區(qū)用管樁螺旋筋加密區(qū)長(zhǎng)度取8倍樁徑。

[1]日本鐵道綜合技術(shù)研究所.鐵道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)同解說(shuō)—耐震設(shè)計(jì)[Z].東京:丸善株式會(huì)社出版事業(yè)部,1999.

[2]張永亮.鐵路橋梁樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué), 2013.

[3]包涵.高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)抗震性能研究[D].北京：北京交通大學(xué), 2014.

[4]李天寶.高樁承臺(tái)基礎(chǔ)橋墩抗震性能研究[D].蘭州： 蘭州交通大學(xué), 2014.

[5]葉愛(ài)君, 魯傳安.基于Pushover分析的群樁基礎(chǔ)抗震性能分析方法[J].土木工程學(xué)報(bào), 2010, 2:88-94.

[6]RP2A-WSD A P I.Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design-[C]//Twenty-2000.

廖杰洪(1987.1-)，男，博士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)檢測(cè)與加固，橋梁樁基礎(chǔ)的研究。

Elasto-plastic analysis of railway bridge substructure with PHC piles

LIAOJiehong

(China rail way Shanghai design institution group Co., LTD., Shanghai 200070)

Based on SAP2000, elasto-plastic of railway bridge substructure is analyzed. The non-liner relation between piles and soil was considered and the PHC piles section was simulated by discounting the section of circle piles with the same diameter. The prestress was simulation by modifying the strain-stress curve. The based reaction-displacement curve and the plastic hinges’ location and order of the piles were got and analyzed. The results show: the bridge substructures with A or AB type PHC piles have poor seismic performance; the location of the plastic hinges of the PHC piles are 0～8 times around the diameter below piles top and the hoop reinforcement length of piles in the area with high seismic intensity was adviced to take 8 times of the diameter.

Railway bridge; PHC piles; Pushover; Seismic performance

廖杰洪(1987.1-)，男，工程師。

2015-11-03

[U24]

A

1004-6135(2016)01-0088-03