不同桩基模拟方法对液化场地桥梁地震响应的影响

祝兵+王冲冲+王晶

摘要：为了考察桩土相互作用以及桩基土液化对桥梁结构地震响应的影响，针对处于可液化场地的某座铁路三跨预应力连续梁拱组合桥，利用ANSYS有限元计算软件建立墩底固结模型Ⅰ及基于m值法和PY曲线法的全桩模型Ⅱ和模型Ⅲ，并对各模型进行振动特性计算分析和时程计算分析。结果表明：3个有限元模型的基本振型相同，均为面外横向侧弯；全桩模型Ⅱ和模型Ⅲ前5阶振型分布特点一致，验证了模型对比分析方式和PY曲线法的合理性；模型Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的一阶频率分别为0.836 69，0.518 95，0.502 78 Hz，拱顶横向位移时程计算值分别为0.005 13，0.020 3，0.022 1 m；考虑桩土相互作用及液化土非线性后，结构关键位置位移响应值进一步增大；所得结论可为今后可液化场地的桥梁进行抗震分析提供参考。

关键词：桥梁抗震；地震响应；PY曲线法；梁拱组合桥；时程计算；液化场地

中图分类号：U441文献标志码：A

Abstract： In order to investigate the influence of pilesoil interaction and pile foundation soil liquefaction on seismic response of bridge structure， model Ⅰ for the bottom of pier consolidation，whole pile model Ⅱ and model Ⅲ based on mvalue method and PY curve method for a railway bridge with threespan prestressed and continuous beamarch combination structure in liquefiable site were established by finite element analysis software ANSYS. The vibration characteristics and time history of models were calculated. The results show that the basic modes of the three finite element models are same， and lateral bending is the basic mode of the bridge. The whole pile model Ⅱ and model Ⅲ have the same first 5 modes， which shows that the model analysis of contrast method and application of PY curve method were reasonable. The first order frequencies of model Ⅰ， Ⅱ and Ⅲ were 0.836 69， 0.518 95， 0.502 78 Hz. The calculation values of lateral displacement of vault were 0.005 13， 0.020 3， 0.022 1 m. The displacement response values of key locations of structure increase while considering the pileliquefied soil interaction and liquefied soil nonlinear. The method can provide a reference for the analysis of bridge seismic liquefiable ground in the future.

Key words： bridge seismic； seismic response； PY curve method； beamarch composite bridge； time history calculation； liquefied site

0引言

震害调查数据表明，场地液化是桥梁及房屋等建筑物震害的主要原因之一[13]。因此，如何准确模拟液化场地桩土相互作用、液化土的本构关系及液化土强度弱化是桥梁地震响应分析计算的难点和重点。现在人们针对处在非液化场地桥梁抗震已做了大量的分析和研究工作，但对于处在液化场地的大跨度桥梁的抗震分析还未形成统一的认识。针对这一问题，各国普遍采用的方法是m值法和PY曲线法[410]。为了考察桩土相互作用及桩基土液化对结构地震响应的影响，本文针对处于可液化场地的某铁路三跨连续梁拱组合桥，利用ANSYS有限元计算软件，分别建立墩底固结模型Ⅰ及基于m值法和PY曲线法的全桩模型Ⅱ和模型Ⅲ，并对各模型进行振动特性计算分析、地震反应谱分析和时程计算分析，对比分析不同桩基的模拟形式对结构振动特性及地震响应的影响。

1工程概况

本文所选取的特大桥为三跨连续预应力变截面箱梁和钢管混凝土拱的组合梁桥（图1），桥跨布置为63.4 m+136 m+63.4 m。该桥主梁为单箱双室截面，按双线直梁设计。中跨设加劲拱，两拱肋采用钢管混凝土结构，每片拱肋由2根上下弦钢管和2块钢板焊接成哑铃型断面（图2）。拱肋横向中心距为12.9 m，两拱肋间设9道横撑，全桥共设14对吊杆。

结构各墩底桩基土不同深度处“土弹簧”的等效刚度k随深度z变化。同一土层m取值相同，等效刚度随深度线性增加。考虑液化土时给予m值一折减系数，这一基于线弹性的计算方法不能反映液化土非线性的特征。为了考虑液化土非线性的特征，计算分析液化土非线性对结构地震响应的影响，本文又采用PY曲线法分析了桩土相互作用及液化土非线性对桥梁结构地震响应的影响。

2.2PY曲线法

PY曲线法的基本原理是把土层中的桩简化为非线性Winkler地基梁，通过分析非线性弹簧的PY关系描述桩土之间的相互作用[1418]。目前，这种方法被广泛地应用到高层建筑和海洋平台结构桩基的分析当中，其主要原因是PY曲线法考虑了土的非线性，并且引入了土的强度参数[1922]。该方法中液化土的极限抗力与土体的有效重度、计算点所在深度、桩径和土的内摩擦角有关，土层基本计算参数的取值如表2所示。

4.1地震加速度时程的选定

对空间有限元模型进行地震响应时程分析时，首要问题是选择合适的地震动激励输入。参照该连续梁拱组合特大桥桥址处地质资料和《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006）[13]，该地区属于Ⅲ类场地一区，地震基本烈度为7度，按8度抗震设防。采用常用的El Centro波，做相应的修正后对该大桥3个有限元模型进行时程计算分析。修正后的El Centro波以加速度时程的形式给出，地震动时程曲线如图6所示。

4.2液化土对结构地震响应的影响

提取结构关键部位时程计算结果的位移值和内力值，通过摸型Ⅰ、模型Ⅱ和模型Ⅲ数据的比较，分析液化土以及其非线性对结构地震响应的影响。

由于数据量较大仅仅取一些关键部位进行比较分析。这些关键控制部位和激励方向相同的响应值明显大于其他方向，故只取和激励方向相同的激励值做比较分析。

4.2.1液化土对结构位移响应的影响

分别取1/4拱和拱顶横向位移作为控制位移。位移响应值如表4所示，相对应的时程曲线见图7。

由表4及图7可以看出：

5结语

（1）全桩模型Ⅱ和模型Ⅲ前5阶振型分布特点一致，验证了模型对比分析方式和PY曲线法应用的合理性。

（2）该桥3个有限元模型的基本振型相同，均为横向侧弯，说明面外横向侧弯为该桥的基本振型，横向侧弯振型对该桥位移和稳定起到控制作用。模型Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的一阶频率分别为0.836 69，0.518 95，0.502 78 Hz，考虑桩土相互作用及液化土的非线性后该桥结构频率降低。

（3）考虑桩土相互作用及液化土非线性后，拱顶和1/4拱位置处在横向地震激励作用下横向位移较大，可能出现位移超限，这些位置应作为结构抗震位移控制的关键部位，宜通过合理布置横撑数量和位置来改善结构的振动特性，加强横向连接提高主拱横向刚度和整体稳定性。

（4）在地震激励作用下，中墩3号墩墩底和墩顶剪力明显大于结构其他部位，说明固定墩在地震中受力较大，应注意此处的剪力控制，并采取相应的控制措施。从时程分析的结果来看，该液化场地土承载力较弱，可以考虑适当提高桥墩的刚度，另外在桥墩可能出现塑性铰的部位应通过构造配筋，保证塑性铰的转动能力。

（5）PY曲线法对液化土本构关系的描述主要取决于土的内摩擦角和重度2个参数，这2个参数容易获得，数值稳定，且并不严格依赖于特定的现场土工试验，因而保证了PY曲线法的适用性和可靠性。本文将分层土抗力PY曲线族的构造计算和ANSYS有限元计算软件命令流建模方式相结合，通过分段定义“土弹簧”抗力和变形曲线关系的方式，实现了PY曲线法在可液化场地大跨度桥梁地震响应分析中的实际应用。本文的分析方法和思路可为可液化场地桩基桥梁抗震计算分析提供借鉴。

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