JournalofJiangxiUniversityofScienceandTechnologyVol.40,No.5Oct.2019文章编号院2095-3046渊2019冤05-0015-07DOI:10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2019.05.003
引文格式院陈磊袁邓通发袁李帅袁等.桩土作用对于高低墩连续曲线梁桥地震响应的影响分析[J].江西理工大
学学报袁2019袁40(5)院15-21.
桩土作用对于高低墩连续曲线梁桥
地震响应的影响分析
陈磊袁
摘
邓通发袁李帅袁常前永
渊江西理工大学建筑与测绘工程学院袁江西赣州341000冤
要院通过MidasCivil有限元软件建立基于m法桩土作用有限元模型及不考虑桩土作用的两种有限元模型袁对高低墩曲线梁桥的地震响应进行线性时程分析袁分析了桩土作用对高低墩曲线
梁桥地震响应的影响.结果表明院在桩土作用下袁结构的自振周期变长袁各个振型的参与质量较未考虑桩土效应时更加分散曰桥墩顶部位移较未考虑桩土作用时增大袁桥墩的内力响应存在复杂性袁但是考虑桩土作用后两个桥墩的内力差距得到减小.中图分类号院U441+.3
关键词院曲线梁桥曰m法曰高低墩曰地震响应曰时程分析
文献标志码院A
Analysisoninfluenceofpile-soilactiononseismicresponseofcontinuouscurvedgirderbridgewithhighandlowpiers
(SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)
CHENLei,DENGTongfa,LIShuai,CHANGQianyong
Abstract:ByusingMidasCivilfiniteelementsoftware,afiniteelementmodelbasedonMmethodandafiniteelementmodelareestablishedtakingnoaccontofpile-soilinteraction.Thelineartimehistoryanalysisofseismicresponseofcurvedgirderbridgeswithhighandlowpiersiscarriedout,andtheeffectofpile-soil
interactiononseismicresponseofcurvedgirderbridgeswithhighandlowpiersisanalyzed.Theresultsshow
thatundertheactionofpile-soil,thenaturalvibrationperiodofthestructureislonger,andthequalityofeach
modeofvibrationismoredispersedthanthatwithoutconsideringtheeffectofpile-soil;thedisplacementofthetopofthepierislargerthanthatwithoutconsideringtheeffectofpile-soil,andtheinternalforceresponsesoilistakenintoaccount.
Keywords:curvedgirderbridge曰mmethod曰highandlowpiers曰seismicresponse曰timehistoryanalysisofthepieriscomplicated,buttheinternalforcegapbetweenthetwopiersisreducedwhentheeffectofpile-
0引言
设的发展逐年增加袁越来越多的道路桥梁建立在西部地区.从西南山区所处的地理环境来看袁整个地形条件较为复杂袁受其地形影响袁西部山区的桥梁建设多难以采用对称的布置[1].同时为避免对祖国
随着西部大开发战略的实施袁西部地区基础建
收稿日期院2018-12-18
基金项目院江西省教育厅科技资助项目渊GJJ160620冤
作者简介院陈磊渊1994-冤袁男袁硕士研究生袁主要从事桥梁结构抗震等方面的研究袁E-mail:296314230@qq.com.通信作者院邓通发渊1980-冤袁男袁博士袁副教授袁主要从事桥梁监测尧评估和加固等方面的研究袁E-mail:dbdtf@163.com.16
江西理工大学学报
2019年10月
大好河山的破坏袁很多桥梁设置在曲线上[2-3]可避免的出现了不等高墩曲线梁桥.曲线梁桥袁这不在荷载作用下会产生弯扭耦合作用袁在地震作用下尤为突出袁这使得曲线梁桥中构件的力与位移需要被放大袁结构受到更为严重的破坏[4]等高墩的设置袁导致在地震作用下曲线.同时梁桥又由的受力于不性能更为复杂.
等高桥墩与非等高桥墩在内力分布上具有较大差异袁在动力作用下的动力响应更为复杂.国内外
对曲线梁桥的地震响应特性等进行了大量研究[5-7]王兰等[8]探讨了曲率半径变化下对其自振性能的影.响曰李青宁等[9]探究了不同墩高曲线梁桥的地震响应的差异曰宋国华等[10]建立以曲率半径为变化参数的4个模型探究了其模态及各个方向阵型因子关于曲率半径的变化规律.以上的研究多是针对对称的规则曲线梁桥展开的研究袁而对于不等高墩的曲线梁桥的地震响应特性研究仍相对较少袁多是针对直线梁桥的高低墩动力响应的研究[11]通过有限元软件建立了多个不同参数.的何曲线贝贝模等[12]型
进行地震响应计算袁其中就包括了高低墩曲线梁桥的动力响应袁但是其对于高低墩动力响应并没未考虑到桩土作用对桥梁动力响应的影响袁导致其得出的结果在一定程度上与实际存在差异.因此文中将基于时程分析方法理论袁探讨在考虑桩土作用下高低墩曲线梁桥的动力响应袁以期为以后的抗震设计提供一定的参考.
1桩土作用模拟
在桥梁结构地震反应分析计算中袁通常假定桥
梁基础与周围场地一起运动袁并不考虑基础与地基的变形.这对于将基础建造在基岩内或者坚硬土层内是合理袁但是袁当桥梁的基础建造的位置位于较软弱的土层时袁基础在地震作用下产生变形袁从而导致上部结构产生位移袁最终将导致上部结构的实际运动与基于刚性地基假设而计算的结果产生较大的差异.根据相关规定院桩土相互作用可以用等代土弹簧来模拟袁等代土弹簧的刚度采用表征土介质弹性值的参数确定[13]续介质袁忽略附加质量袁仅.考即虑假用定土体土弹簧为弹性的模拟的连
土体在侧向产生的作用袁并将侧向土两个正交方向视为彼此无关袁同时不考虑侧向和扭转方向土层抗力的藕合作用[14].土弹簧滓刚zx=度计mzx算z方法如下院
式渊1冤中院滓zx为土体的横向抗力曰z为土层深度渊曰1x冤
z为土层深度z处的横向位移.
由此可以求出等代土弹簧的刚度院
ks=Pxs=A滓zxz
xz=渊abp冤窑x渊zmzxz冤=abp
mz渊2冤式渊2冤中院a为各土层厚度曰bp为该土层垂直于计算模型所在平面方向的宽度曰m为地基土的比例系数曰z为土层深度.
在动力分析中袁通常将静力位移法做动态处理袁即考虑到瞬间荷载作用下土抗力会比持续荷载作用下大袁因此土抗力系数取值要比静力状态大袁考虑地震作用下比例系数m动模型见图1.
=渊2耀3冤m静.土弹簧墩
桩侧土弹簧
承台
桩基
桩基
立面
平面
图1土弹簧模型
文中在进行动力响应的计算时取m动土体分为两种袁为了计算的准确度袁对每=2.5种土体m静袁将内部仍进行分层.
2
模型的建立
2.1
工程概况
文中研究对象为一座三跨连续曲线梁桥袁桥梁
基本参数如下院跨径组合为70+120+70m三跨连续箱梁袁桥梁中心轴线曲率半径为300m.上部结构为变截面连续梁袁箱梁高度从根部到跨中按二次抛物线的线性变化.下部结构桥梁采用2.5m伊3m矩16形实形袁m袁高即心墩袁其中1#墩墩高为8m袁2#墩墩高为度1#3.5墩m为袁矮墩基础袁2#采用墩直径为高为墩.1.8墩底m承的台圆为形矩桩
基袁桩长38m袁桩基按纵桥向设置2排袁横桥向设置3排袁每个桥墩共设置6根桩.支座选用盆式橡胶支座.
主要材料院上部结构采用C50混凝土袁桥墩采用C40混凝土袁承台及其承台以下桩基采用C25混凝土.主梁截面见图2及图3.
第40卷第5期
155
陈磊袁等院桩土作用对于高低墩连续曲线梁桥地震响应的影响分析
100
45
150
2601160
150
45
100
155
17150伊4035伊35
150伊4035伊35
650
图2主梁跨中截面渊单位院cm冤
1901160
80
15510080150150100155
150伊40150伊40
35伊35
35伊35
650
图3主梁根部截面渊单位院cm冤
2.2有限元模型
划分袁为考虑到计算结果的准确性袁整个桥梁结构均按1m一个单元划分.通过对每一段桩基添加节点弹性支承来模拟土的侧向力从而实现桩土效应的模拟袁桩身底部则进行固结.根据以上参数建立的有限元模型见图4袁桩土作用的土层分层参数见表1.
基于MidasCivil建立两种不等高墩曲线梁桥的有限元分析模型院一种是桥墩承台底部固结袁即不考虑桩土相互作用曰另外一种则是建立桩基模型袁模拟桩土相互作用.整个模型均采用梁单元进行模拟袁支座使用弹性连接模拟袁对于模型单元的
渊a冤未考虑桩土作用模型
图4曲线梁桥有限元模型
渊b冤考虑桩土作用模型
18
表1
序号12345678910111213141516171819/渊kN窑m-4冤37500375003750037500375003750037500625006250062500625006250062500625006250062500625006250062500江西理工大学学报
土体分层参数
/m2.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.0522.052/渊kN窑m-1冤7695046170076950010773001385100169290020007003847500436050048735005386500589950064125006925500743850079515008464500897750094905002019年10月
地震波输入的方向假定桥梁两端连线为1方向袁与1方向正交的为2方向袁同时本文称方向1
为顺桥向袁方向2为横桥向.本文地震波输入均是基于这两个方向输入袁详情见图5.
Y
X
方向2
土层厚地基土系数计算宽度土层至地面等代土刚度度/m1222222222222222222高度/m135791113151719212325272931333537图5桥梁平面示意
方向1
3模态分析
自振周期是结构本身自己的性质袁同时是分析
结构动力特性的基础.对结构的模态分析是结构动力分析中常见的手段之一袁文中采用多重Ritz向量法对上述有限元模型的特征值计算袁得到了两种模型的前30阶振型袁在此列出前10阶振型的数据对比见表2袁前10阶振型特点见表3.
通过对表2的分析可知院有限元模型在考虑桩土作用后袁其自振周期变长了袁代表着计算的整体
自振性质对比
表2
各方向振型质量参与系数/%
模态
T
123457968
1.7431.3220.7270.5450.4110.2960.4630.3361.07
自振周期/s
F1.3541.0880.7660.5270.4040.2730.62
比值渊T/F冤1.291.211.171.031.031.021.171.081.511.4
T18.1244.941.510.7
X方向F0.4
比值渊T/F冤45.34.460.020.030.3183.50.010.3710
T37.650.770
Y方向F53.388.50.6
比值渊T/F冤0.711.280.801.8
T0.183.420.0100
Z方向F1
比值渊T/F冤0.184.120.080.88000.300
10.0865.034.440.130.780.07
15.323.616.831.830
2.560.830.060.1344.47000.3
0.4490.286
0.120.040.01
4.5311.810.440.020.640.040.04
0.743.34
0.060.04
12.33
0.18
0.580.4191.50.080
38.9600
0.09
100.2740.1810.441.180.05000注院其中T代表考虑桩土作用袁F则代表未考虑桩土作用.
第40卷第5期陈磊袁等院桩土作用对于高低墩连续曲线梁桥地震响应的影响分析
表3振型对比
模态1
不考虑桩土作用的振型特点
主梁横向平动
考虑桩土作用的振型特点
主梁横向平动
192
3
4
主梁顺桥向平动+一阶竖弯主梁顺桥向平动+二阶竖弯
主梁横向扭转主梁对称竖弯主梁横向反对称平动
主梁横向平动+一阶竖弯主梁顺桥向平动+横向平动主梁横向反对称平动主梁一阶横向弯曲主梁顺桥向平动主梁横向扭转主梁一阶对称竖弯
5主梁一阶反对称竖弯主梁二阶对称竖弯
6
7
8主梁二阶反对称竖弯横向扭转+二阶对称顺弯主梁横向二阶扭转
109
横向反对称扭转结构柔性增强袁同时也代表着结构承受地震作用的能力更强曰由各方向振型质量参与系数可知袁考虑桩土作用后袁各振型参与质量更加分散袁而不考虑桩土作用时振型参与质量更加集中袁质量参与更多则其地震作用下惯性力更大袁在一定程度下考虑桩土作用对于承担地震作用是有利袁同时可以知各个方向振型参与质量在考虑桩土作用后收敛的更快.由表3可知考虑桩土作用后振型会产生一定的变化袁但是变化较少甚至对于低阶振型无变化.
例为1颐0.85.在地震作用下袁桥墩是桥梁结构中易
损坏构件袁且对桥梁整体抗震能力至关重要[15]袁同一便是桥墩高度不相等袁所以为了分析高低墩曲线梁桥在考虑桩土效应情况下的地震响应袁主要对桥
时高低墩桥梁与其他规则桥梁相比最大的特点之
梁结构两个不同高度的桥墩内力及变形进行对比分析.
由图7可知袁双向输入时不论是否考虑桩土效应袁1#墩顶切向位移总是大于2#墩顶切向位移.1#墩与2#墩的切向位移峰值在考虑桩土效应后均等到了增加袁考虑桩土效应1#墩的切向位移峰值是未考虑时的1.76倍袁而2#墩的切向位移峰值虽然是之前未考虑桩土效应的1.99倍.同时由表4可知考虑桩土效应在一定程度上使1#墩与2#墩顶切向位移差值减少了.
在双向输入地震波时袁2#墩的径向位移大于
4地震响应分析
文中地震波选用1940袁EICentrosite袁270Deg进行地震时程反应分析袁地震波时程曲线见图6.
0.40.20.0-0.2-0.4
0
10
20
时间/s30
40
50
60
时程数据
1#墩的径向位移袁在考虑桩土效应后袁1#墩及2#墩的径向位移均有一定的增加袁但是仍然保持着2#墩顶径向位移大于1#墩径向位移.1#墩在考虑桩土效应后其径向位移峰值约为之前的1.72
倍袁2#墩在考虑桩土效应后约为之前的1.76倍.同时可以得出在考虑桩土效应后拉大了两个桥墩之间顶部径向位移差距袁考虑桩土效应是两桥墩顶部径向位移绝对峰值之间的差距较未考虑桩土效应前增长了78%.
当地震波双向输入时袁1#墩底部切向弯矩在考虑桩土效应后会小于未考虑桩土效应时的弯矩袁而2#墩底部切向弯矩则会因为考虑桩土效应而增大.由表5及图8可知袁1#墩底部切向弯矩峰值在考虑桩土作用后约为未考虑桩土效应时的18%曰
图6EICentro地震波
由于曲线梁桥自身的特殊性袁即弯扭耦合作用袁于是针对不等高墩曲线梁桥进行双向输入地震波袁即沿着方向1跟方向2同时输入地震波袁其比
20
0.100.050.00-0.05-0.10
0
5
10
1520时间/s
25
30
江西理工大学学报
1#墩
1#墩桩土作用
0.060.040.020.00-0.02-0.04
0
5
152025时间/s
渊b冤2#墩顶切向位移10
2019年10月
2#墩
2#墩桩土作用
30
渊a冤1#墩顶切向位移
1#墩
1#墩桩土作用
0.020.00-0.02
0
5
152025时间/s
渊c冤1#墩顶径向位移
10
30
0.060.040.02-0.02-0.04-0.06
0
5
152025时间/s
渊d冤2#墩顶径向位移10
0.00
2#墩
2#墩桩土作用
30
图7
表4
截面位置1#桥墩2#桥墩
F-0.059780.02389
桥墩顶部位移
墩顶位移极值对比
径向/m
T0.105490.04754
F-0.014520.03305
T-0.024990.05801
截面位置
表5弯矩极值对比
切向/渊kN窑m-1冤F
T125341.9016674.52
径向/渊kN窑m-1冤F-83044.83-90032.23
T-98406.62-98267.99
切向/m
1#桥墩-330208.102#桥墩
-9239.68
而2#墩切向弯矩峰值跟1#墩一样在未考虑桩土效应时为负弯矩袁考虑桩土效应后其峰值变为正弯矩袁但与1#墩不同的是2#墩底切向弯矩的峰值绝对值在考虑桩土效应后会大于未考虑桩土效应时的峰值绝对值且增长幅度为80%袁通过这一增一减袁可以看出考虑桩土效应拉近了高低墩之间的弯矩.两个桥墩的径向弯矩在考虑桩土效应后均变大了袁其中1#墩底部径向弯矩增长了18%袁2#墩底部径向位移增长了9%.正是因为两者增长幅度不同袁以至于虽然2#墩底的径向弯矩在未考虑桩土效应时会大于1#墩底径向弯矩袁但是在考虑桩土效应后1#墩与2#墩的墩底径向弯矩趋于一致袁其中2#墩底径向位移峰值约为1#墩底径向位移峰值的99%.
5结论
文中通过建立考虑桩土效应和不考虑桩土效应两种高低墩曲线梁桥袁对比分析高低墩曲线梁桥在是否考虑桩土效应在地震作用下的动力响应及特点袁根据上述分析袁得出如下结论院
1冤当EI-Centro波入射时袁高低墩曲线梁桥在
考虑桩土效应后袁其自振周期会变长袁同时各个振2冤考虑桩土作用后袁矮墩与较高墩的位移均变大了.切向位移上在考虑桩土效应后袁两桥墩差距变小袁但是径向位移上的差距则是变大了.3冤在EI-Centro波输入时袁考虑桩土作用后袁1#墩底切向弯矩减少了袁径向弯矩增大了袁但是切型的参与质量较未考虑桩土效应时更加分散.
第40卷第5期
400000200000
0
-200000-400000
0
5
10
陈磊袁等院桩土作用对于高低墩连续曲线梁桥地震响应的影响分析
1#墩
1#墩桩土作用
2000015000100005000
0
2#墩
2#墩桩土作用
21-10000-15000
时间/s15
20
25
30
-20000
0
5
10
时间/s15
20
25
30
-5000
渊a冤1#墩底切向弯矩
1#墩
1#墩桩土作用
10000050000
0-50000-100000
0
5
152025时间/s
渊c冤1#墩顶径向弯矩
10
30
渊b冤2#墩底切向弯矩
2#墩
2#墩桩土作用
50000
0-50000-100000
05
图8桥墩底部弯矩
152025时间/s
渊d冤2#墩底径向弯矩
1030
13倍袁2#墩底切向弯矩及径向弯矩都变大了.同时不论切向还是径向弯矩在考虑桩土作用后均使得矮墩与较高墩的内力差距减小.参考文献院
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