大纵坡梁桥桩土地震响应研究.pdf
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1、-69-摘要:为探究大纵坡梁桥桩土系统在地震作用下的动力响应,选定西南地区常见的连续梁桥型,以某520 m大纵坡连续梁桥为背景,利用有限元软件Midas GTS NX建立桥梁-桩基-土体整体模型,考虑桩土间相互作用,并引入修正摩尔库伦弹塑性土体本构,模拟土体的实际变形过程。通过时程分析法进行地震作用加载,提取桩身及土体的力学指标进行分析,并对比不同纵坡值对于其桩土的影响情况,总结可能发生的病害。关键词:大纵坡梁桥;桩土性能;地震作用;动力响应中图分类号:U441.5文献标识码:AStudy on pile-soil behavior of beam bridge with large long
2、itudinal slope under earthquakeZHANG Qi 1,HE Peiqi 2(1.Yunnan Highway Engineering Supervision Consulting Co.,Ltd.,Yunnan Kunming 650021 China;2.Yunnan Science and Technology Research Institute of Highway,Yunnan Kunming 650051 China)Abstract:Inordertoexplorethedynamicresponseofpile-soilsystemoflargel
3、ongitudinalslopebeambridgeunderearthquakeaction,thecontinuousbeambridgetypecommonlyusedinSouthwestChinaisselectedinthispaper.Acontinuousbeambridgewithlargelongitudinalslopeistakenastheresearchbackground.Theintegralmodelofbridgepilefoundationsoilisestablishedbyfiniteelementsoftware.Consideringtheinte
4、ractionbetweenpileandsoil,themodifiedMohrCoulombelastoplasticconstitutivemodelisintroducedtosimulatetheactualdeformationprocessofsoil.Thetimehistoryanalysismethodisusedtoloadthepileandsoilunderearthquakeaction,andthemechanicalindexesofthepileandsoilareextractedforanalysis.Theeffectsofdifferentlongit
5、udinalslopevaluesonthepileandsoilarecompared,andthepossiblediseasesaresummarized.Key words:largelongitudinalslopebridge;pile-soilperformance;seismicaction;dynamicresponse0 引言在我国山区高速公路中,由于地形因素限制,存在许多纵坡较大的桥梁。此类桥梁所处地质环境较为复杂,同时其桩基受力特征和持力层状况与常规桥梁有一定差异,因此在受地震作用时,其桩基会与周围土体发生作用,在竖向、横向荷载的作用下,易出现桩土松动或桩身偏位等病害问
6、题。目前国内外学者对不同桩土结构系统的地震响应进行了一定的研究。范敏等1在引入土的非线性性质的基础上,建模分析了桩-土相互作用影响高层结构的动力学性能和地震响应情况。李晋等2研究了在计算桩土相互作用时,使用各种形式模拟土体和桩基接触面后所得到的结果间的差异。张素珍等3以MidasGTSNX有限元软件为平台,建立了单桩-土体模型,并对其施加水平地震荷载,进行了单桩水平位移和弯矩的参数分析。罗川等4借助有限元软件研究了将桩、土和结构作为整体系统时,桩-土的非线性耦合与桩在动力作用下的响应间的相互关系,其中桩的加速度响应的敏感度会降低,而剪力、弯矩响应的敏感度则会提高。聂杨明5设定了竖向循环荷载和横
7、向循环荷载两种工况,探究了大纵坡梁桥的桩土系统受力后力学性能的变化规律。MAHESHWARI等6借助有限元方法,对受简谐荷载和瞬态激励荷载时桩土间的相互作用进行了研究。综上,目前国内外针对大纵坡梁桥桩土力学性能的研究并不多见,对此类桥梁的研究大多考虑静力作用,对大纵坡梁桥在受到地震作用后的实际情况不明晰。因此,研究大纵坡梁桥在地震作用下桩-土系统的响应情况尤为必要。大纵坡梁桥桩土地震响应研究张 奇1,何佩琪2(1.云南省公路工程监理咨询有限公司,云南昆明 650021;2.云南省公路科学技术研究院,云南昆明 650051)收稿日期:2022-11-02作者简介:张奇(1989),男,山东泰安人
8、,工程师。张 奇,何佩琪:大纵坡梁桥桩土地震响应研究-70-1 有限元模型建立1.1 本构模型本模型土体采用修正摩尔-库伦模型,其本构由非线性弹性模型和弹塑性模型组成,可模拟出土体的剪切硬化和压缩硬化行为,且能去除由压缩屈服和剪切破坏产生的效应7。其中剪切硬化可用等效塑性应变和抗剪力来表征,压缩硬化可用先期固结压力来表征。具体计算方法见公式(1)。PPPmmmP(1)式中:pc为先期固结压力,kPa;pc0为初始先期固结压力,kPa;pref为参考压力,kPa;为硬化参数;pv为应变差;m为应力水平相关幂指数。修正摩尔-库伦模型的曲线见图1,通过内摩擦角、黏聚力和膨胀角来表征极限状态下的应力,
9、且可以描述应力增量与应变同时降低的硬化现象。该模型以三轴试验刚度、三轴卸载刚度和固结仪荷载强度来表征岩土体的强度,可以更准确地模拟地基土的力学行为。图 1 修正摩尔-库伦模型曲线c广义剪应力/kPa平均主应力/kPa1.2 桩土间相互作用模拟桩土间的相互作用采用桩界面和桩端单元来模拟。桩界面单元的关键参数为最终剪力、剪切刚度和法向刚度。通过桩的极限抗剪力除以桩长和桩界面单元的厚度得到桩的最终剪力。剪切刚度及法向刚度可通过公式(2)、公式(3)计算:Kn=Eoed,i/tv (2)Kt=Gi/tv(3)式中:tv为虚拟厚度系数,与岩土体和结构的强度差成反比;弹性模量Eoed,i和Gi剪切模量由公
10、式(4)、公式(5)计算:EGiiiiVV(4)GiRGGEV(5)式中:vi为界面的泊松比;Gsoil为土体剪切模量,GPa;Vsoil为土体泊松比;E为土体弹性模量,GPa;R为强度折减系数,砂土与混凝土取0.81,黏土与混凝土取0.71。桩端单元适用于模拟桩底部的土体单元和桩底部节点之间的相对界面行为,关键参数为桩端承载能力和弹簧刚度。桩端承载力Quk可由单位面积桩端地层的极限承载力取值,由公式(6)计算8:ukskpksisik ippkpQQQuq lq A=+=+QQQuqqiAii (6)式中:Qsk、Qpk为单桩总极限侧阻力、总极限端阻力标准值,kPa;qsik为桩侧第i层土极
11、限侧阻力标准值,kPa;qpk为桩径为800mm的极限端阻力标准值,kPa;si、p为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数;li为第i层土体厚度,m;Ap为桩端面积,m2;u为桩身周长,m。弹簧刚度可按照单位面积桩端地层的竖向抗力系数C0来取值,由公式(7)计算:C0=m0h (7)式中:m0为桩底面地基土竖向抗力系数的比例系数,近似m0=m,即地基土水平抗力系数的比例系数,kN/m4;h为桩的入土深度,m。根据以上公式计算出桩界面单元和桩端单元的关键参数。1.3 单元类型及参数采用MidasGTSNX所建立的多跨连续T梁桥模型,桥宽12.5m(包括5片2.4m宽主梁),跨径20m,五跨一联,不考虑
12、桥面横坡,且为排除桥墩高度刚度差对结果的影响,假设各墩均为双柱式墩且等高,墩高27m。桥梁的上部结构使用梁格法模拟,主梁单元分为跨中、支点以及过渡段,其他梁单元包括横隔梁、盖梁、系梁、虚拟横梁以及桥墩。同时,为控制变量,支座使用弹性连接单元模拟,不考虑滑移和旋转,刚度按实际支座取值。下部土体采用实体单元模拟,土层分别为上层15m黏土,下层25m砂土,参数按照工程应用的经验取值,采用桩界面和桩端单元模拟土体间相互作用9。桥梁上部结构形式见图2,桥梁-桩土整体模型见图3。图 2 桥梁上部结构横截面/cm50501 1554%15020沥青混凝土 10 cm桥面防水材料C50 现浇混凝土 10 cm
13、2023 年第 4 期山东交通科技-71-图 3 桥梁-桩土整体模型1.4 地震波的选取应用时程分析法对模型进行地震作用动力分析。应用时程分析法需要输入地震加速度的历史数据或者人工加速度的变化曲线,再通过积分求解结构的内力和变形在加速度变化期间的时程变化10。因此输入合适的地震波曲线是应用时程分析法的关键点,目前国内外研究学者以及规范标准大多采用基于设计加速度目标谱(即规范标准谱)的选波方法。设定研究的桥梁对象位于8度烈度地区,场地类别为类,地震周期为0.35s,求出对应的地震反应谱并选取与其较为拟合的三条地震波记录进行调幅,其中包括一条远场地震波和两条近场地震波,最终得到三条地震波的加速度时
14、程曲线见图4。(c)近场地震波 2图 4 地震波加速度时程曲线(a)远场地震波0123456789101112131415161718192021220.100.050-0.05-0.10时间/s加速度/(ms-2)(b)近场地震波 1时间/s加速度/(ms-2)01234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738390.080.060.040.020-0.02-0.04-0.06-0.080246810121416182022242628303234363840424446485052时间/s0.080.06
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