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