桥梁桩基抗震动力特性分析验算

桥梁桩基抗震动力特性分析验算

摘要：模拟地震作用下，桥梁的桩土相互作用机理，从而对桩基进行抗震分析与抗震验算。应用有限单元程序MIDAS/Civil与XTRACT软件分别建立有限元模型及桩基的弯矩与曲率关系，模拟地震作用时，桩基的动力特性反应，并检验是否满足设计与规范要求。

关键词：桥梁桩基抗震动力特性

桩基础在公路、铁路和城市桥梁工程建设中被普遍采用。其抗震性能作为桥梁整体结构抗震中最重要的一项，对提高结构抗震性能，减轻震害有着重要的影响。对桩基动态特性进行分析时，考虑桩土相互作用，根据m法对桩基土弹簧进行模拟，得出地震力作用下桩基础的水平力、弯矩以及剪力。另外根据桩基的实际尺寸、配筋以及实际受力等状态拟定出桩基的弯矩与曲率关系图，计算出构件的承载值。从而与地震作用下的荷载对照，对桩基抗震进行精确的分析与验算。

1、工程概述

巢湖市跨后河河口大桥上部结构为（42.5+69.48+42.5）m变截面连续梁，由中间单箱双室梁及两侧单箱单室梁组成。支座采用GXP盆式支座，下部结构桥墩和桩基础采用C30混凝土，普通钢筋采用R235和HRB335钢筋。1号、2号墩桩基长35m，直径1.3m。地基土层从上之下有，粉质粘土层，细砂层，卵石层、漂卵石层以及强分化千枚岩层。

2、有限元模型分析与验算

2.1 结构抗震模型前处理

全桥的各构件共有1700个单元，1703个节点构成。盆式橡胶支座考虑初始刚度影响，依据规范《公路桥梁抗震细则JTG B02-01-2008》6.3.7条计算和取值，采用弹性连接模拟。桩土相互作用用土弹簧模拟，忽略阻尼和刚度特性的影响。根据地基土层特性，通过“m”法计算桩基节点弹性支撑的顺桥向刚度与横桥向刚度。

巢湖市地震基本烈度为Ⅶ度，地震反谱特征周期为0.35s，地震动峰值加速度值为0.10g，模态叠加时采用CQC法。建立地震反应谱曲线E1、E2，对结构进行反应谱分析。

2.2结构抗震模型后处理

（1）荷载标准：永久作用包括自重与二期恒载，偶然作用包括7度烈度E1和E2地震作用下加速度反应谱。荷载组合如下：

组合Ⅰ：恒载+E1纵向与竖向作用组合；组合Ⅱ：恒载+E1横向与竖向作用组合；组合Ⅲ：恒载+E2纵向与竖向作用组合；组合Ⅳ：恒载+E2横向与竖向作用组合。竖向输入取为水平向输入反应谱的1/2 。

（2）荷载作用下内力值

选取1#、2#墩桩基顶端与承台结合处截面1、2为桩基最不利截面。通过模拟软件，分别计算各工况下截面内力值。

（3）桩基抗震验算

根据地震作用下桩基的实际轴力值，通过XTRCT软件，拟定桩基的弯矩与曲率变化关系，得到初始屈服弯矩与等效屈服弯矩值[4]。

桩基的抗剪承载性能通过加州规范中计算圆形截面抗剪公式[5]。

注：在E1地震作用下，屈服弯矩为初始弯矩值；E2地震作用下，屈服弯矩为等效弯矩值。

由上述验算，通过对桩基动力分析，得到以下结论：在E1地震作用下的结构安全系数均大于1；在E2地震作用下结构安全系数均大于1，结构满足E1及E2地震作用下的抗震性能要求。

3、结论

（1）桥梁桩基抗震前期模型模拟中，要注重对支座的准确模拟。盆式支座可根据其临界活动摩擦力，采用理想弹塑形弹簧单元模拟。

（2）m法对桩基土弹簧进行模拟，要根据实际的土层地质勘测材料。才能较真实地模拟出地震作用下的桩土相互作用。

（3）地震作用下的桩基内力值，在输入E2反应谱作用时达最大值。所以桥梁桩基抗震内力应有E2控制。

参考文献：

[1]公路桥涵抗震设计细则JTG/T B02-01-2008，人民交通出版社，2008

[2]邱顺东.桥梁工程软件midas Civil 常见问题解答[M].北京：人民交通出版社，2009

[3]赵凯，桥梁桩基基础的刚度计算及有限元模拟，EngAppp-003，2009

[4]杨红.地震作用下基于节点弯矩平衡方式的框架柱屈服机理分析，重庆建

筑大学学报，2000

[5]刘同焰.圆形截面混凝土结构抗剪承载力计算方法探.合肥工业大学出版社，2007