墩底約束的模擬方式對(duì)高墩連續(xù)梁橋動(dòng)力特性的影響

1、墩底約束的模擬方式對(duì)高墩連續(xù)梁橋動(dòng)力特性的影響藺鵬臻 王根會(huì) 王江勝 (蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)摘 要：在建立橋梁動(dòng)力分析模型時(shí)，對(duì)墩底的精確模擬是結(jié)構(gòu)計(jì)算的基礎(chǔ)。本文采用墩底固結(jié)、墩底集中彈簧和墩底樁土彈簧三種約束模擬方式，建立高墩橋梁全橋有限元分析模型，通過不同約束下橋梁的自振頻率、振型以及反應(yīng)譜內(nèi)力的規(guī)律，總結(jié)了墩底不同建模方式對(duì)橋梁整體動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。關(guān)鍵詞：橋墩；樁基礎(chǔ)；約束；動(dòng)力特性中圖分類號(hào)：U442.5+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AThe Influence of the dynamic characteristics to simulate the c

2、onstraint of the Pier of continuous Girder Bridge with High-PiersLIN Peng-zhen, WANG Gen-hui,WANG Jiang-sheng( School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China )Abstract: Accurately simulate the bottom of the pier was the foundation of the structure computation when bu

3、ild Bridges dynamic analysis model. This article established the high-pier bridge analysis model with finite element method which use three kinds of the bottom of the bridge pier model: solidifying the pier; the consolidation of the spring and pile-soil spring. Through analyzed the frequencies of th

4、e bridge, the mode of internal regularity and response spectrum, this paper has summarized the regular pattern of the dynamic response which use different modeling method of piers.Key word: pier; pile foundation; constraint; dynamic characteristics橋墩是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在地震中直接承受地震波的作用，如果橋墩在地震中遭受損壞，會(huì)引起上部梁體墜落

5、，從而使橋梁嚴(yán)重破壞。現(xiàn)代橋梁地震反應(yīng)分析都是建立在合理簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以在建立分析模型時(shí)能否真實(shí)地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)是進(jìn)行地震反映分析的前提。1、墩底模擬方法簡(jiǎn)介目前常用的樁基約束模擬方法有以下幾種：對(duì)于剛性地基，認(rèn)為橋墩嵌固在地基中，將其模擬為墩底完全固結(jié)；對(duì)于彈性地基，可以把橋墩視為彈性地基的梁，地基的彈性影響用等代集中土彈簧模擬；對(duì)于大跨、復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)，為提高分析模擬精度，往往考慮墩底樁-土相互作用。本文擬采取用以下三種墩底模擬方法展開研究： 墩底完全固結(jié)； 墩底按照集中彈_基金項(xiàng)目：西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（2009-318-000-102）；蘭州交通大學(xué)“青藍(lán)”人才工程基金計(jì)劃資助

6、。作者簡(jiǎn)介：藺鵬臻（1977.10），男，甘肅甘谷人，博士，副教授，主要從事大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的理論研究?；赡M樁基彈性約束； 墩底建立樁基質(zhì)量-彈簧模型，模擬樁與土的相互作用。2、模擬方法比較2.1、工程及模型概況以武罐高速公路上最大墩高橋梁-馬河右線大橋?yàn)槔?，該橋址位?度區(qū)，為類場(chǎng)地，橋位地震動(dòng)峰值加速度為0.2g。全橋?yàn)?聯(lián)4×40+4×40m連續(xù)梁橋，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁；下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用柱式臺(tái)。本文取該橋第二聯(lián)為分析對(duì)象，共4跨，最大墩高57m，最小墩高41m。橋墩采用雙排樁基礎(chǔ)，樁深24m-35m。針對(duì)馬河大橋，建立第二聯(lián)橋梁的動(dòng)力

7、分析模型。建模采用MIDAS/Civil軟件，橋墩和上部結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧?。?號(hào)墩為兩聯(lián)相接墩，分析時(shí)將第一聯(lián)自重對(duì)其的影響轉(zhuǎn)化為集中質(zhì)量，施加于4號(hào)墩墩頂部位。橋梁動(dòng)力分析模型如圖1所示。 （a）墩底固結(jié) （b）墩底集中彈簧 （c）墩底樁土彈簧圖1 動(dòng)力分析模型2.2、自振特性分析2.2.1、自振頻率三種分析模型計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)前十階自振頻率如表1所示表1 自振頻率/HZ階數(shù)墩底固結(jié)集中彈簧樁土彈簧10.3430.3200.30420.8770.7290.64131.1431.0050.89041.1991.0630.99351.2031.1141.04661.5161.2421.09471.

8、6421.3221.17381.6601.4651.37091.7741.4861.382102.3991.9151.716112.6692.3982.398從表1可以看出，結(jié)構(gòu)自振頻率有如下特點(diǎn)：（1）3種計(jì)算模型所得的結(jié)構(gòu)自振頻率的規(guī)律基本一致。墩底固結(jié)的自振頻率大于墩底土彈簧，而墩底考慮樁土彈簧的自振頻率最小。這一規(guī)律符合不同建模方式對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響趨勢(shì)。（2）結(jié)構(gòu)自振頻率密集。第3、4和5階，以及第6、7和8階自振頻率之間相差較小，反映出高墩橋梁自振特性振型密集的特點(diǎn)。（3）不同模擬方式主要影響橋墩縱、橫向的自振特性，對(duì)梁體的豎彎自振特性影響較小。可以看出，固結(jié)方式第10階頻率和集

9、中彈簧、樁土彈簧的第11階頻率相等，通過振型比較發(fā)現(xiàn)，該振型均為梁體豎彎振型。2.2.2、振型以第三種建模方式樁土彈簧模式的計(jì)算結(jié)果為例，研究振型特性，限于篇幅只列其縱飄、橫彎、豎彎振型如圖2所示。 （a）縱飄（第1階） （b）橫彎（第2階） （c）豎彎（第11階） 圖2結(jié)構(gòu)振型結(jié)構(gòu)振型具有如下特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)的低階振動(dòng)主要為橋墩的自振，且其振動(dòng)以一階彎曲為主。橋梁前10階均為橋墩縱、橫向的振動(dòng)，帶動(dòng)橋面整體縱飄和橫彎，且均未出現(xiàn)橋墩二階及以上振型。（2）相比橋墩自振而言，橋梁的豎向剛度較大，故橋梁豎彎振型在第11階及以后出現(xiàn)。2.3、反應(yīng)譜分析應(yīng)用反應(yīng)譜方法進(jìn)行抗震分析，選取公路橋梁抗震設(shè)計(jì)

10、細(xì)則中規(guī)定的E1地震作用，場(chǎng)地特征周期Tg=0.45。根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范要求的荷載組合方式，按照承載能力極限狀態(tài)組合，采用以下7種組合方式：1.2×自重；自重+縱向地震（正向）；自重+縱向地震（反向）；自重+橫向地震（正向）；自重+橫向地震（反向）；自重+豎向地震（正向）；自重+豎向地震（反向）。最高墩（5號(hào)墩高57m）的主要計(jì)算結(jié)果列于表2：表2 五號(hào)墩反應(yīng)譜分析數(shù)據(jù)組合Fx (kN)My (kN.m)Mz (kN.m)墩底 固結(jié)集中 彈簧樁土 彈簧墩底 固結(jié)集中 彈簧樁土 彈簧墩底 固結(jié)集中 彈簧樁土 彈簧組合1-29136.5-29127.5-29132.1424.738

11、4.5351.50.00.00.0組合2-24262.6-24255.6-24231.247487.744414.241339.90.00.00.0組合3-24298.2-24290.2-24322.3-46779.9-43773.3-40754.00.00.00.0組合4-24280.4-24272.5-24192.3353.9320.5293.059045.852872.949870.5組合5-24280.5-24273.4-24361.2353.9320.5292.9-59045.8-52872.9-49870.5組合6-22880.9-21832.4-23912.3504.9489.2

12、419.40.10.00.0組合7-25679.9-26713.5-24641.2202.9151.7166.5-0.10.00.0可以看出，橋梁在設(shè)計(jì)反應(yīng)譜下有以下受力特點(diǎn)：（1）樁的計(jì)算模式對(duì)組合軸力影響較小，這與軸力主要由恒載貢獻(xiàn)有關(guān)；而對(duì)彎矩有一定影響。計(jì)算模式影響最大的是繞著豎軸的彎矩Mz。（2）與其它墩反應(yīng)譜分析數(shù)據(jù)相比，不同墩高和位置，其彎矩特點(diǎn)不同。4號(hào)墩從彎矩?cái)?shù)值上看，由于受到兩聯(lián)橋梁的影響，其繞著豎軸的彎矩Mz較繞著橫軸的彎矩My大。中間的5、6號(hào)墩均是My大于Mz。3、結(jié)論通過以上分析對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：（1）由于從墩底固結(jié)到集中彈簧，再到樁土彈簧，橋梁的整體剛度從大到小，橋梁結(jié)構(gòu)的周期變大，柔性增加，有利于抗震，但在設(shè)計(jì)中要注意隨著柔性增加，結(jié)構(gòu)位移會(huì)越來越大。（2）墩底固結(jié)時(shí)剛度較大，基本周期較小，在地震作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力偏大，造成設(shè)計(jì)過于保守；樁土彈簧模擬最能反映真實(shí)情況，但對(duì)特大復(fù)雜橋梁在建模時(shí)工作量大，耗費(fèi)機(jī)時(shí)；集中彈簧與樁土彈簧模擬方式得到的結(jié)果基本相同，說明在一般設(shè)計(jì)中用集中彈簧模擬樁基對(duì)墩底的彈性約束能夠滿足精度。參考文獻(xiàn)：1橋梁抗震范立礎(chǔ)同濟(jì)大學(xué)出版社19972樁基礎(chǔ)簡(jiǎn)化模型在橋梁抗震中的應(yīng)用龔緯，戚冬艷鐵道工程學(xué)報(bào)2008.103基礎(chǔ)模擬對(duì)橋梁抗震計(jì)算的影響分析汪澤文，劉春龍工程結(jié)構(gòu)