墩底约束的模拟方式对高墩连续梁桥动力特性的影响

墩底约束的模拟方式对高墩连续梁桥动力特性的影响蔺鹏臻王根会王江胜(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)摘要：在建立桥梁动力分析模型时，对墩底的精确模拟是结构计算的基础。本文采用墩底固结、墩底集中弹簧和墩底桩土弹簧三种约束模拟方式，建立高墩桥梁全桥有限元分析模型，通过不同约束下桥梁的自振频率、振型以及反应谱内力的规律，总结了墩底不同建模方式对桥梁整体动力响应的影响规律。关键词：桥墩；桩基础；约束；动力特性中图分类号：U442.5+5文献标识码：ATheInfluenceofthedynamiccharacteristicstosimulatetheconstraintofthePierofcontinuousGirderBridgewithHigh-PiersLINPeng-zhen,WANGGen-hui,WANGJiang-sheng(SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)Abstract:AccuratelysimulatethebottomofthepierwasthefoundationofthestructurecomputationwhenbuildBridge’sdynamicanalysismodel.Thisarticleestablishedthehigh-pierbridgeanalysismodelwithfiniteelementmethodwhichusethreekindsofthebottomofthebridgepiermodel:solidifyingthepier;theconsolidationofthespringandpile-soilspring.Throughanalyzedthefrequenciesofthebridge,themodeofinternalregularityandresponsespectrum,thispaperhassummarizedtheregularpatternofthedynamicresponsewhichusedifferentmodelingmethodofpiers.Keyword:pier;pilefoundation;constraint;dynamiccharacteristics桥墩是桥梁结构的重要组成部分，在地震中直接承受地震波的作用，如果桥墩在地震中遭受损坏，会引起上部梁体坠落，从而使桥梁严重破坏。现代桥梁地震反应分析都是建立在合理简化模型的基础上进行的，所以在建立分析模型时能否真实地模拟实际结构是进行地震反映分析的前提。1、墩底模拟方法简介目前常用的桩基约束模拟方法有以下几种：①对于刚性地基，认为桥墩嵌固在地基中，将其模拟为墩底完全固结；②对于弹性地基，可以把桥墩视为弹性地基的梁，地基的弹性影响用等代集中土弹簧模拟；③对于大跨、复杂桥梁结构，为提高分析模拟精度，往往考虑墩底桩-土相互作用。本文拟采取用以下三种墩底模拟方法展开研究：①墩底完全固结；②墩底按照集中弹_______________________________基金项目：西部交通建设科技项目（2009-318-000-102）；兰州交通大学“青蓝”人才工程基金计划资助。作者简介：蔺鹏臻（1977.10），男，甘肃甘谷人，博士，副教授，主要从事大跨度桥梁结构的理论研究。簧模拟桩基弹性约束；③墩底建立桩基质量-弹簧模型，模拟桩与土的相互作用。2、模拟方法比较2.1、工程及模型概况以武罐高速公路上最大墩高桥梁-马河右线大桥为例，该桥址位于8度区，为Ⅱ类场地，桥位地震动峰值加速度为0.2g。全桥为2联4×40+4×40m连续梁桥，桥梁上部结构采用装配式部分预应力混凝土简支转连续箱梁；下部结构桥台采用柱式台。本文取该桥第二联为分析对象，共4跨，最大墩高57m，最小墩高41m。桥墩采用双排桩基础，桩深24m-35m。针对马河大桥，建立第二联桥梁的动力分析模型。建模采用MIDAS/Civil软件，桥墩和上部结构均采用梁单元。因4号墩为两联相接墩，分析时将第一联自重对其的影响转化为集中质量，施加于4号墩墩顶部位。桥梁动力分析模型如图1所示。（a）墩底固结（b）墩底集中弹簧（c）墩底桩土弹簧图1动力分析模型2.2、自振特性分析2.2.1、自振频率三种分析模型计算所得的结构前十阶自振频率如表1所示表1自振频率/HZ阶数墩底固结集中弹簧桩土弹簧10.3430.3200.30420.8770.7290.64131.1431.0050.89041.1991.0630.99351.2031.1141.04661.5161.2421.09471.6421.3221.17381.6601.4651.37091.7741.4861.382102.3991.9151.716112.6692.3982.398从表1可以看出，结构自振频率有如下特点：（1）3种计算模型所得的结构自振频率的规律基本一致。墩底固结的自振频率大于墩底土弹簧，而墩底考虑桩土弹簧的自振频率最小。这一规律符合不同建模方式对结构整体刚度的影响趋势。（2）结构自振频率密集。第3、4和5阶，以及第6、7和8阶自振频率之间相差较小，反映出高墩桥梁自振特性振型密集的特点。（3）不同模拟方式主要影响桥墩纵、横向的自振特性，对梁体的竖弯自振特性影响较小。可以看出，固结方式第10阶频率和集中弹簧、桩土弹簧的第11阶频率相等，通过振型比较发现，该振型均为梁体竖弯振型。2.2.2、振型以第三种建模方式—桩土弹簧模式的计算结果为例，研究振型特性，限于篇幅只列其纵飘、横弯、竖弯振型如图2所示。（a）纵飘（第1阶）（b）横弯（第2阶）（c）竖弯（第11阶）图2结构振型结构振型具有如下特点：（1）结构的低阶振动主要为桥墩的自振，且其振动以一阶弯曲为主。桥梁前10阶均为桥墩纵、横向的振动，带动桥面整体纵飘和横弯，且均未出现桥墩二阶及以上振型。（2）相比桥墩自振而言，桥梁的竖向刚度较大，故桥梁竖弯振型在第11阶及以后出现。2.3、反应谱分析应用反应谱方法进行抗震分析，选取《公路桥梁抗震设计细则》中规定的E1地震作用，场地特征周期Tg=0.45。根据《公路桥涵设计通用规范》要求的荷载组合方式，按照承载能力极限状态组合，采用以下7种组合方式：①1.2×自重；②自重+纵向地震（正向）；③自重+纵向地震（反向）；④自重+横向地震（正向）；⑤自重+横向地震（反向）；⑥自重+竖向地震（正向）；⑦自重+竖向地震（反向）。最高墩（5号墩高57m）的主要计算结果列于表2：表2五号墩反应谱分析数据组合Fx(kN)My(kN.m)Mz(kN.m)墩底固结集中弹簧桩土弹簧墩底固结集中弹簧桩土弹簧墩底固结集中弹簧桩土弹簧组合1-29136.5-29127.5-29132.1424.7384.5351.50.00.00.0组合2-24262.6-24255.6-24231.247487.744414.241339.90.00.00.0组合3-24298.2-24290.2-24322.3-46779.9-43773.3-40754.00.00.00.0组合4-24280.4-24272.5-24192.3353.9320.5293.059045.852872.949870.5组合5-24280.5-24273.4-24361.2353.9320.5292.9-59045.8-52872.9-49870.5组合6-22880.9-21832.4-23912.3504.9489.2419.40.10.00.0组合7-25679.9-26713.5-24641.2202.9151.7166.5-0.10.00.0可以看出，桥梁在设计反应谱下有以下受力特点：（1）桩的计算模式对组合轴力影响较小，这与轴力主要由恒载贡献有关；而对弯矩有一定影响。计算模式影响最大的是绕着竖轴的弯矩Mz。（2）与其它墩反应谱分析数据相比，不同墩高和位置，其弯矩特点不同。4号墩从弯矩数值上看，由于受到两联桥梁的影响，其绕着竖轴的弯矩Mz较绕着横轴的弯矩My大。中间的5、6号墩均是My大于Mz。3、结论通过以上分析对比，可以得出以下结论：（1）由于从墩底固结到集中弹簧，再到桩土弹簧，桥梁的整体刚度从大到小，桥梁结构的周期变大，柔性增加，有利于抗震，但在设计中要注意随着柔性增加，结构位移会越来越大。（2）墩底固结时刚度较大，基本周期较小，在地震作用下，结构内力偏大，造成设计过于保守；桩土弹簧模拟最能反映真实情况，但对特大复杂桥梁在建模时工作量大，耗费机时；集中弹簧与桩土弹簧模拟方式得到的结果基本相同，说明在一般设计中用集中弹簧模拟桩基对墩底的弹性约束能够满足精度。参考文献：［1］桥梁抗震．范立础．同济大学出版社．1997［2］桩基础简化模型在桥梁抗震中的应用．龚纬，戚冬艳．铁道工程学报．2008.10．［3］基础模拟对桥梁抗震计算的影响分析．汪泽文，刘春龙．工程结构．2009.10．［4］高墩梁桥地震响应分析．李茜，王克海，韦韩．地震工程与工程振动．2006.6．［5］JTGTB02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则［S］．［6］桥梁高墩合理计算模型探讨．梁智垚，李建中．地震工程与工程振动．2007.4．［7］桩基础桥梁的土-结构动力相互作用．孙剑平，朱晞．铁道学报．2001.4．作者信息：联系地址：兰州交通大学土木学院桥梁教研室邮编：730070联系电话：[phone]E-mail:[e-mail]