樁土相互作用及其簡化方法對連續(xù)梁橋地震響應(yīng)研究

葉 顯 亮

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽　550009)

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樁土相互作用及其簡化方法對連續(xù)梁橋地震響應(yīng)研究

葉 顯 亮

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽550009)

介紹了樁土相互作用的四種簡化方法，建立了基于四種方法的連續(xù)梁橋模型，并進(jìn)行了地震響應(yīng)對比研究，結(jié)果表明：建立在樁基支撐的大跨度連續(xù)梁橋，應(yīng)當(dāng)合理考慮基礎(chǔ)剛度或樁—土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的影響，采用m法、一般p-y法、固結(jié)法等方法會(huì)高估連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)，嵌固法的地震響應(yīng)比前三者小一些。

連續(xù)梁橋，嵌固法，一般p-y法，固結(jié)法，地震響應(yīng)

0　引言

目前，在橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析中，常見的樁—土共同作用簡化分析模型主要包括：嵌固法、m法、一般p-y法、固結(jié)法。嵌固法是指將樁基礎(chǔ)在地表以下一定深度處按固結(jié)處理，該方法的分析精度取決于嵌固深度，通常按3倍～5倍的樁徑進(jìn)行固結(jié)，本文采取3倍樁徑法來處理。m法是指將土體對樁的作用簡化為一系列沿樁身連續(xù)分布且相互獨(dú)立的線性彈簧模型。其中，線性彈簧剛度可依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，采用樁基礎(chǔ)水平靜載分析的m法取值。p-y法是根據(jù)Matlock(1970)提出的水下軟粘土的p-y曲線，p-y曲線是指在水平荷載作用下，地面以下某一深度處的土體水平反力與該點(diǎn)樁的撓度之間的關(guān)系曲線。墩底直接固結(jié)法是通常采用涉及最廣泛的方法，計(jì)算出來的地震響應(yīng)偏大，設(shè)計(jì)過于保守，造成經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)。因此有必要對樁土響應(yīng)的簡化方法進(jìn)行對比分析。

1　連續(xù)梁橋概況

三跨不等墩高連續(xù)梁橋跨徑布置為55 m+99 m+55 m。墩號從左至右依次是17號，18號，19號，20號，墩高分別為11 m，13 m，12 m，10 m。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋?qū)?2.5 m。

支座采用球形支座，每個(gè)墩各安2個(gè)，18號墩是固定墩，采用固定支座，其余各墩采用單向和雙向支座。邊墩17號，20號的墩截面尺寸和配筋相同，下部基礎(chǔ)為2×2的樁基布置形式；18號，19號墩截面尺寸和配筋相同，下部基礎(chǔ)采用3×3的樁基布置形式。樁基礎(chǔ)為φ1.8 m的鉆孔灌注樁，長均為45 m。為方便敘述，18號固定墩對應(yīng)的樁命名為18號樁，19號活動(dòng)墩對應(yīng)的樁命名為19號樁。地基土類型從上到下依次是軟粘土、細(xì)砂土和硬粘土。

2　模型分析

2.1樁—土結(jié)構(gòu)相互作用動(dòng)力分析模型

采用OpenSEES軟件建立有限元模型。主梁采用線彈性梁單元模擬；橋墩、樁采用彈塑性纖維梁柱單元模擬，其中，混凝土采用Kent-Scott-Park本構(gòu)模型[2]，約束混凝土的抗壓強(qiáng)度和極限應(yīng)變等參數(shù)根據(jù)Mander公式確定；鋼筋采用理想彈塑性雙線性本構(gòu)模型。支座按照J(rèn)TG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[3]采用相互解耦的4個(gè)線彈性連接單元模擬支座在2個(gè)水平方向、1個(gè)豎向以及繞縱橋向轉(zhuǎn)動(dòng)等4個(gè)自由度上的剛度。

本文為便于分析，工況命名為一般p-y法。

采用墩底直接固結(jié)法，完全忽略樁土的相互作用，在墩底底部直接固結(jié)。本文將工況命名為固結(jié)法。

2.2地震動(dòng)輸入

如圖1所示，本文從太平洋地震工程中心的地震波數(shù)據(jù)(PEER Strong Motion Database)選取3條與之相匹配的實(shí)際地震波，其初始峰值加速度PGA分別為0.06g，0.03g和0.05g。根據(jù)場地E2地震的加速度峰值PGA，將3條波的PGA統(tǒng)一調(diào)整為0.125g×1.7=0.213g。3條實(shí)際地震波記錄如圖1所示，后文為方便敘述，分別將這3條地震波稱作為地震波No.1、地震波No.2和地震波No.3。3條波計(jì)算出來的位移、剪力、彎矩，取3者的平均值進(jìn)行分析。

3　數(shù)值分析

3.1對位移的影響

圖2a)為18號固定墩位移平均值沿墩高分布規(guī)律，位移從墩底到墩頂依次增大。圖2b)為19號活動(dòng)墩位移平均值沿墩高分布規(guī)律。19號墩位移的總體分布趨勢與18號固定墩相同，位移從墩底到墩頂變小。其中p-y法、固結(jié)法、1/3 L-m法的位移非常接近，3倍樁徑法的位移比前三者都大，原因與固定墩類似。

3.2對彎矩的影響

圖3a)為18號固定墩彎矩平均值沿墩高分布規(guī)律，彎矩在墩底最大，從墩底到墩頂逐漸減小。3倍樁徑法、p-y法、固結(jié)法、1/3 L-m法，墩底彎矩分別為198 707 kN·m，255 595.33 kN·m，260 214 kN·m，258 630.33 kN·m。大小依次排序?yàn)椋?倍樁徑法

圖3b)中，19號活動(dòng)墩的彎矩相對固定墩而言很小，彎矩從墩底到墩頂依次減小。3倍樁徑法、p-y法、固結(jié)法、1/3 L-m法，墩底彎矩分別為19 774.73 kN·m，11 118.25 kN·m，8 824.91 kN·m，9 543.92 kN·m，彎矩大小排序?yàn)椋?倍樁徑法>p-y法>1/3 L-m法>固結(jié)法。各個(gè)工況的彎矩值相比固定墩的彎矩相差很大，大小規(guī)律與固定墩的相反。其中，p-y法、固結(jié)法、1/3 L-m法這3種工況下的彎矩較接近，固結(jié)法的最小，p-y法最大。墩頂彎矩分別為1 091.79 kN·m，637.71 kN·m，463.44 kN·m，523.91 kN·m，各工況比值為2.36∶1.38∶1∶1.13。在墩頂?shù)膹澗刂校?倍樁徑法的彎矩最大，且相差較懸殊。原因與剪力分析類似，不再贅述。

4　結(jié)語

本文建立了3倍樁徑法、一般p-y法、固結(jié)法、1/3 L-m法4種工況進(jìn)行對比研究，主要結(jié)論如下：

1)在縱位移響應(yīng)分析當(dāng)中，3倍樁徑法的位移最大，固結(jié)法、p-y法、1/3 L-m法這3種方法的位移都很小，且較為接近。說明固結(jié)法、p-y法、1/3 L-m法都大大高估了樁基的剛度，容易低估橋梁的位移響應(yīng)。

2)在彎矩分析當(dāng)中，3倍樁徑法得到的固定墩剪力、彎矩最小，固結(jié)法、p-y法和1/3 L-m法這3種方法得到的剪力、彎矩較大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3倍樁徑法?；顒?dòng)墩縱向剪力、彎矩的變化恰好與固定墩相反，固結(jié)法、p-y法和1/3 L-m法較小。

3)固結(jié)法、p-y法和1/3 L-m法這三種模擬樁土相互作用的方法得到的地震響應(yīng)會(huì)比較大，大大提高了橋墩的需求。如果采用3倍樁徑法來模擬，需求會(huì)小一些。

[1]JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)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，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[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

葉顯亮(1973- )，男，高級工程師

U441.3

A