桩土效应对钢筋混凝土双壁墩地震响应的影响

赵凌志

(西南交通大学桥梁工程系，四川成都 610031)

近年来，我国高速铁路建设的势头正如火如荼，高速铁路若需要跨越江河峡谷，桥梁结构形式大量在其线路中采用[1]。而我国地震灾害频繁[2]，作为交通生命线系统中重要枢纽的桥梁，在地震中遭受到了较大的破坏。地震作用下高速铁路的地震响应问题成为了研究的热点[3]。而桥墩在地震中较易发生损伤[4]，其地震响应特性更应该得到重视。本文以一座高速铁路预应力混凝土连续刚构桥的最大悬臂体系为研究对象，分别建立了墩底固结模型和考虑桩土效应的模型，选取3条地震动记录，研究桩土效应对的结构自振周期的影响，以及不同地震动强度作用下桩土效应对桥墩墩底曲率和墩顶位移的影响，并得出了一些有意义的结论。

1 桥梁概况与有限元模型的建立

该高速铁路桥为96 m+160 m+96 m的双线预应力混凝土连续刚构桥，梁体为单箱单室直腹板形式，采用C60混凝土，箱形截面顶板宽11.9 m，底板宽8.5 m，主墩顶处梁高10.5 m，跨中梁高4.5 m，墩顶到跨中梁高按圆曲线变化。主墩采用截面形式为圆端形的双壁墩，材料为C50混凝土，双柱中心间距6.3 m，墩截面圆端直径2.2 m，横向总长11.4 m，在墩底3 m高度范围内采用变截面，从上到下线型变化，墩底的圆端直径加宽到4.2 m，2号主墩墩高23 m，3号主墩墩高22 m。主墩基础采用12φ2.5 m钻孔桩，桩长11 m，桩基础按行列式布置，承台长15 m，宽21.9 m，高5 m，承台和桩基础均采用C35混凝土。桥梁采用悬灌施工方法，最大悬臂状态时悬臂长度为79 m，以2号主墩为例，其悬臂体系见图1。承台底面以下0～4 m为人工填土，4～7 m为强风化凝灰熔岩，7～11 m为弱风化凝灰熔岩。场地类别为II类。

采用有限元软件OpenSEES(开放的地震工程模拟系统)进行在地震波作用下的非线性时程分析。主梁、承台和桩基采用弹性梁柱单元(ElasticBeamColumn)，主墩采用非线性梁柱单元(NonlinearBeamColumn)。考虑桩土相互作用所采用的方法为“m”法[1,5]，将桩周围的土质当作线弹性的土弹簧，桩侧土的水平地基系数随着入土深度按比例增加。通过“m”法可将一定土层厚度的刚度系数计算出来，然后在该土层中间对应的桩单元节点处施加该节点弹性支撑。在OpenSEES中可采用零长度单元(ZeroLength)来模拟该弹性支撑。

图1 2号主墩最大悬臂体系(单位：m)

不考虑桩土效应的模型(固结模型)，墩底直接固结处理，不建立承台和桩基。考虑桩土效应的模型(桩土模型)，建立承台和桩基，并在桩基对应的节点施加土弹簧。

2 桩土效应的影响

从太平洋地震工程研究中心(PEER)选择与该桥址场地类型相近的远场天然地震波记录作为地震动输入。选取的3条地震波记录序列号(Record Sequence Number)为：1 157、1 762和3 831，分别记作EQ1、EQ2和EQ3。

2.1 自振周期

对两种模型分别进行模态分析，提取前9阶模态对应的结构周期(表1)。可知考虑桩土效应后，结构自振周期变长，体系变柔，随着阶数的增加，两者的差异逐渐变小。

表1 两种模型前9阶自振周期的对比 S

2.2 墩底曲率

由于双壁墩墩底3 m范围内截面加大，最大曲率不发生在墩底，而发生在距墩底3 m高的截面处。以此截面为墩底曲率的研究截面，运用增量动力分析方法(IDA)把选取的3条波的峰值地面加速度(PGA)分别调到0.1 g、0.4 g、0.7 g、1.0 g和1.3 g，地震波沿顺桥向加载，对两种模型分别进行非线性时程分析，提取研究截面的最大曲率(图2)。

(a)EQ1作用下墩底曲率最大值

(b)EQ2作用下墩底曲率最大值

(c)EQ3作用下墩底曲率最大值

由图2可知，考虑桩土作用后，墩底截面的最大曲率会变小，但减小的幅度，与输入地震波的频谱特性及PGA的大小有关。EQ1作用下，PGA在0.1～1.3 g范围内，墩底截面基本处于弹性阶段，墩底曲率最大值的减小幅度最小，两种模型墩底曲率变化程度相当。EQ2作用下，对于固结模型，当PGA>0.4 g时，墩底塑性开始发展，且速度较快，墩底曲率增加较快；当PGA>1.0 g时塑性发展放缓；对于桩土模型，在PGA=1.0 g时墩底塑性才开始发展，可见桩土效应延迟了墩底塑性的发展；当PGA>1.0 g时，墩底曲率增加速度开始变快。EQ2作用下，桩土效应对墩底曲率的减小幅度为最大。EQ3作用下的情况类似EQ2，对于固结模型，当PGA在0.4 g左右时，墩底塑性开始发展；而桩土模型，PGA达到0.7 g左右时才能达到相同的墩底曲率。

2.3 墩顶位移

同样用IDA方法进行非线性时程分析，提取墩顶顺桥向位移的最大值(图3)。

(a)EQ1作用下墩顶位移最大值

(b)EQ2作用下墩顶位移最大值

(c)EQ3作用下墩顶位移最大值

EQ1作用下，由墩底曲率结果分析可知，桥墩基本处在弹性阶段，其墩顶位移基本随PGA的增大按线性关系增大，在相同的地震动强度作用下，考虑桩土效应后，墩顶位移变大，且增幅已达200 %，墩顶位移对桩土效应较为敏感。

EQ2作用下，当PGA在0.1～0.7 g范围内，桩土模型的墩顶位移均大于固结模型的结果。对于固结模型，PGA>0.7 g时，墩底塑性发展较快，墩顶位移增长迅速。由于桩土效应延迟了墩底塑性的发展，在PGA=1.0 g时，考虑桩土效应后的墩顶位移并没有比固结模型的大。当PGA>1.0 g时，固结模型的墩顶位移增长速度放缓，桩土模型的墩顶位移增长速度才开始变大，桩土模型的墩顶位移越来越接近固结模型，并有赶超的趋势。

EQ3作用下的情况与EQ1类似。同一个模型在不同的地震波作用下，墩顶位移最大值的差异较大，说明其地震响应和输入的地震波的频谱特性密切相关。从以上分析可知，考虑桩土效应后，桥墩墩顶的最大位移一般情况下比固结模型大，但墩顶位移值还与输入地震波的频谱特性及地震动强度有关，不排除在某种地震波作用下在地震动强度较大时考虑桩土效应后墩顶位移最大值会变小的情况。

3 结论

对一座高速铁路预应力混凝土连续刚构桥施工阶段的最大悬臂状态，运用IDA的方法，对考虑和不考虑桩土效应两种模型进行了非线性时程分析，得出以下主要结论。

(1)考虑桩土效应后，结构自振周期变长，体系变柔，随着模态阶数增加，两种模型的自振周期差异逐渐变小。

(2)桩土效应会延迟墩底塑性程度的发展。考虑桩土作用后，墩底截面的最大曲率会变小，但减小的幅度，与输入地震波的频谱特性及地震动强度有关。

(3)考虑桩土效应后，桥墩墩顶的最大位移一般情况下比固结模型的大，但墩顶位移值还与输入地震波的频谱特性及地震动强度有关，不排除在某种地震波作用下当地震动强度较大时考虑桩土效应后墩顶位移最大值会变小的情况。

综上，对高速铁路桥梁钢筋混凝土桥墩进行弹塑性地震响应分析时需要考虑桩土效应的影响。