深厚軟土區(qū)大懸臂墩橋梁樁基地震動(dòng)響應(yīng)分析研究

任艷 謝春明

摘 ?要：為了解地震動(dòng)響應(yīng)對(duì)深厚軟土區(qū)大懸臂墩橋梁樁基的影響，本文采用有限元軟件建立典型的橋梁大懸臂墩結(jié)構(gòu)模型，考慮地震工況，對(duì)深厚軟土區(qū)大懸臂墩結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：對(duì)于大懸臂墩樁基礎(chǔ)的地震響應(yīng)，當(dāng)考慮表層軟土液化時(shí)，由于墩以上的橋面系質(zhì)量較大，無(wú)論是否考慮軟土液化時(shí)，均在樁基靠近地面處、軟土底面處均出現(xiàn)彎矩峰值;考慮液化情況下，樁身剪力隨深度變化規(guī)律與樁身彎矩規(guī)律類似，即當(dāng)考慮表層軟土液化時(shí)，墩底和樁頂交界面及軟硬土層交界面處樁身彎矩和剪力均出現(xiàn)了明顯的峰值;采用基巖輸入地震波的時(shí)程分析法，可以得知當(dāng)表層土液化時(shí)，樁基動(dòng)力響應(yīng)較小，并且表層土的峰值點(diǎn)下移，其慣性力導(dǎo)致墩柱+樁的樁身彎矩加大，所以出現(xiàn)雙峰值情況。當(dāng)不考慮土層液化時(shí)，地震動(dòng)可以由土層由下往上傳遞，由于橋面系質(zhì)量產(chǎn)生的樁身上部彎矩均較大，因此出現(xiàn)上部峰值大于軟硬土層交界面處彎矩的情況。分析結(jié)果對(duì)深厚軟土區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：大懸臂墩;深厚軟土區(qū);地震;彎矩;剪力;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U441.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2021）11-0000-00

0引言

大懸臂墩樁基礎(chǔ)是我國(guó)橋梁廣泛應(yīng)用的一種基礎(chǔ)形式，作為埋地構(gòu)件，其損傷或破壞難于檢測(cè)，且在震后修復(fù)代價(jià)高，因此各國(guó)抗震規(guī)范對(duì)樁基礎(chǔ)的抗震性能要求很高，通常采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)，使之保持在彈性狀態(tài)。目前我國(guó)規(guī)范常用的抗震動(dòng)力計(jì)算理論包括：反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法[1-2]，反應(yīng)譜法不能反映地震波頻率特性和強(qiáng)度帶來(lái)的影響[3]，而時(shí)程分析法可以考慮結(jié)構(gòu)的彈性和彈塑性性態(tài)，在反映地震動(dòng)的頻譜、振幅和持時(shí)，得到的是結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中的反應(yīng)以及震害發(fā)生的部位和形態(tài)，可詳細(xì)了解結(jié)構(gòu)在地震持續(xù)時(shí)間內(nèi)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，所以時(shí)程分析法在復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)幅員遼闊，正處在大規(guī)模建設(shè)和發(fā)展階段，工程建設(shè)中會(huì)遇到各類地基土，特別是在中、東部沿海和沿江地區(qū)，存在大面積深厚軟弱地基土，由于該類地基土性質(zhì)軟弱[4-6]，因此，有必要深入開展地震荷載下軟硬互層地基中大懸臂墩樁基礎(chǔ)地震動(dòng)響應(yīng)分析，對(duì)深厚軟土區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)有著重要的理論意義和指導(dǎo)作用。

由于反應(yīng)譜法不能考慮地震加速度時(shí)程的影響，因此本文針對(duì)深厚軟土區(qū)地質(zhì)，以大懸臂墩為研究對(duì)象，分地震工況，從基巖輸入實(shí)際地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線，得到樁身內(nèi)力與位移包絡(luò)圖，在動(dòng)力計(jì)算中考慮軟土液化和不液化兩種情況，對(duì)大懸臂墩橋梁樁基地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析研究。

1工程背景

某30m跨小箱梁下部結(jié)構(gòu)采用大懸臂墩，蓋梁高度2.6m，蓋梁寬度3.5m，倒T部分1.5m，懸臂13.6m，墩間距5m。橋墩尺寸160×240（H×Z），墩高考慮H=25m。樁基尺寸D180，橫向間距5.4m，縱向間距5m，樁基長(zhǎng)度按65m考慮。大懸臂墩結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2有限元模擬

2.1有限元模型

依據(jù)空間梁格-桿系理論，采用Midas/Civil軟件進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行加速度反應(yīng)譜分析計(jì)算，振型組合采用CQC法。橋墩柱和樁基計(jì)算采用如圖2所示的簡(jiǎn)化模型，將墩柱及上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等效為一作用在墩頂?shù)馁|(zhì)量塊，樁頂質(zhì)量塊體 ，不考慮剛性承臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，橋墩及承臺(tái)尺寸詳圖以及簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

采用土彈簧模擬樁土作用，土彈簧剛度按“m”法計(jì)算，m值根據(jù)地質(zhì)條件選取，淤泥質(zhì)土取5000kN/m4，粉砂取7500kN/m4，中砂質(zhì)土取15000kN/m4，巖石地基抗力系數(shù)根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度確定，不隨巖層深度變化，抗震計(jì)算時(shí)，土的土彈簧剛度取m動(dòng)=2.5m靜。

計(jì)算中的地層參數(shù)如表1所示。

2.2地震激勵(lì)工況

地震激勵(lì)從基巖入射，入射波為人工波，由地面人工波反算得到。地面人工波取自《地震安評(píng)報(bào)告》，按《規(guī)范》規(guī)定，對(duì)應(yīng)于50年超越概率為10%的地震激勵(lì)，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取80秒。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

以下將從是否考慮軟土液化，分別展示樁基地震動(dòng)計(jì)算的時(shí)程分析結(jié)果。

（1）不考慮軟土液化時(shí)的下部結(jié)構(gòu)彎矩和剪力包略圖如下：

不考慮軟土液化時(shí)大懸臂墩橋梁橫橋向樁身彎矩和剪力包絡(luò)圖如圖4和圖5所示，可以看出橋墩底部彎矩的和樁基頂部彎矩之和不等，這是因?yàn)樵谟?jì)算的過(guò)程中將承臺(tái)簡(jiǎn)化為無(wú)轉(zhuǎn)角的剛性結(jié)構(gòu)，類似于抗彎剛度無(wú)窮大的門式鋼架。在地震作用下樁身會(huì)產(chǎn)生軸力，由軸力產(chǎn)生的彎矩同樁頂與墩底的彎矩差平衡。對(duì)于縱橋向而言，如圖6和圖7所示。由于相鄰墩之間無(wú)法形成水平約束，此處墩頂邊界條件為自由，因此墩頂彎矩為零，墩底和樁頂交接面處彎矩較橫橋向有明顯增大。

（2）考慮軟土液化時(shí)的下部結(jié)構(gòu)彎矩和剪力包絡(luò)圖如下：

當(dāng)考慮軟土液化后，計(jì)算結(jié)果如圖8～圖11所示。由于承臺(tái)的存在，加強(qiáng)了樁頂?shù)募s束，故墩底和樁頂交界面及軟硬土層交界面處樁身彎矩和剪力均出現(xiàn)了明顯的峰值。

根據(jù)以上分析結(jié)果可知：對(duì)于大懸臂墩樁基礎(chǔ)的地震響應(yīng)，由于墩以上的橋面系質(zhì)量較大，無(wú)論是否考慮軟土液化時(shí)，均在樁基靠近地面處、軟土底面處均出現(xiàn)彎矩峰值，記為峰值A(chǔ)、峰值B?？紤]軟土液化時(shí)，峰值B與峰值A(chǔ)相當(dāng)，甚至大于峰值A(chǔ)，按考慮軟土液化，則目前樁基主筋、箍筋的配置方式是合理的。不考慮軟土液化時(shí)，峰值B遠(yuǎn)小于峰值A(chǔ)相當(dāng)，按不考慮軟土液化，則目前樁基主筋、箍筋可進(jìn)行優(yōu)化。

采用基巖輸入地震波的時(shí)程分析法，可以得到：當(dāng)?shù)卣鸩◤幕鶐r輸入時(shí)，波動(dòng)由土層往上傳遞，通過(guò)樁土相互作用給樁施加地震荷載，引起樁的動(dòng)力響應(yīng)。當(dāng)表層土液化時(shí)，由于液體不傳遞剪切波，所以傳給樁的動(dòng)力荷載較小，由此導(dǎo)致的樁基動(dòng)力響應(yīng)較小。這相當(dāng)于墩的長(zhǎng)度加大，所以第一個(gè)峰值點(diǎn)下移。對(duì)于大懸臂墩，由于表層土的峰值點(diǎn)下移，其慣性力導(dǎo)致墩柱+樁的樁身彎矩加大，所以出現(xiàn)雙峰值情況。當(dāng)不考慮土層液化時(shí)，地震動(dòng)可以由土層由下往上傳遞，由于橋面系質(zhì)量產(chǎn)生的樁身上部彎矩均較大，因此出現(xiàn)上部峰值大于軟硬土層交界面處彎矩的情況。

4結(jié)論

為了解地震動(dòng)響應(yīng)對(duì)深厚軟土區(qū)大懸臂墩橋梁樁基的影響，本文采用有限元軟件建立典型的橋梁大懸臂墩結(jié)構(gòu)模型，得出如下主要結(jié)論：

（1）對(duì)于大懸臂墩樁基礎(chǔ)的地震響應(yīng)，由于墩以上的橋面系質(zhì)量較大，無(wú)論是否考慮軟土液化時(shí)，均在樁基靠近地面處、軟土底面處均出現(xiàn)彎矩峰值，記為峰值A(chǔ)、峰值B。考慮軟土液化時(shí)，峰值B與峰值A(chǔ)相當(dāng)，甚至大于峰值A(chǔ)，按考慮軟土液化，則目前樁基主筋、箍筋的配置方式是合理的。不考慮軟土液化時(shí)，峰值B遠(yuǎn)小于峰值A(chǔ)相當(dāng)，按不考慮軟土液化，則目前樁基主筋、箍筋可進(jìn)行優(yōu)化。

（2）考慮液化情況下，樁身剪力隨深度變化規(guī)律與樁身彎矩規(guī)律類似，即當(dāng)考慮表層軟土液化時(shí)，墩底和樁頂交界面及軟硬土層交界面處樁身彎矩和剪力均出現(xiàn)了明顯的峰值。

（3）采用基巖輸入地震波的時(shí)程分析法，可以得知：當(dāng)表層土液化時(shí)，由于液體不傳遞剪切波，所以傳給樁的動(dòng)力荷載較小，由此導(dǎo)致的樁基動(dòng)力響應(yīng)較小，并且表層土的峰值點(diǎn)下移，其慣性力導(dǎo)致墩柱+樁的樁身彎矩加大，所以出現(xiàn)雙峰值情況。當(dāng)不考慮土層液化時(shí)，地震動(dòng)可以由土層由下往上傳遞，由于橋面系質(zhì)量產(chǎn)生的樁身上部彎矩均較大，因此出現(xiàn)上部峰值大于軟硬土層交界面處彎矩的情況。

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收稿日期：2021-10-08

作者簡(jiǎn)介：任艷（1983—）女，山西交城人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：道路與鐵道工程。

Abstract： In order to understand the influence of seismic response on the pile foundation of large cantilever pier bridge in deep soft soil area， a typical structural model of large cantilever pier bridge is established by using finite element software. Considering ?earthquake， the seismic response of large cantilever pier structure in deep soft soil area is numerically simulated. The results show that： for the seismic response of large cantilever pier pile foundation， when considering the liquefaction of surface soft soil， due to the large mass of bridge deck above the pier， no matter whether considering the liquefaction of soft soil or not， the peak moment appears at the pile foundation near the ground and the bottom of soft soil; In the case of liquefaction， the variation of pile shear force with depth is similar to that of pile bending moment， that is， when the liquefaction of surface soft soil is considered， the pile bending moment and shear force at the interface of pier bottom and pile top and at the interface of soft and hard soil appear obvious peaks; Using the time history analysis method of bedrock input seismic wave， we can know that when the surface soil liquefies， the dynamic response of pile foundation is small， and the peak point of surface soil moves down， and its inertial force causes the bending moment of pier plus pile to increase， so there is a double peak situation. When the liquefaction of soil layer is not considered， the ground motion can be transmitted from the bottom to the top of the soil layer. Because the bending moment at the top of the pile caused by the mass of the bridge deck system is large， the peak value at the top of the pile is larger than that at the interface of the soft and hard soil layers. The analysis results have important theoretical significance and guiding role for the design of bridge pile foundation in deep soft soil area.

Key words： Large cantilever pier; Deep soft soil area; Earthquake; bending moment; Shear force; Numerical simulation