管樁型鐵路橋梁下部結構抗震彈塑性分析

廖杰洪

(中鐵上海設計院集團有限公司　上海　200070)

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管樁型鐵路橋梁下部結構抗震彈塑性分析

廖杰洪

(中鐵上海設計院集團有限公司上海200070)

基于SAP2000軟件，分析管樁鐵路橋梁下部結構抗震彈塑性。考慮了樁土的非線性關系，采用折減圓柱樁截面的方法模擬等外徑管樁，并采用調整應力-應變的方法模擬先張法產生的預應力。采用A、AB型PHC樁時下部結構抗震性能較差；管樁塑性鉸發生在樁頂0～8倍范圍，建議高烈度地區管樁螺旋筋加密區取8倍樁徑。

鐵路橋梁；PHC管樁；pushover；抗震性能

E-mail:liaojiehong@163.com

0　引言

我國工程抗震設計采用三水準兩階段的方法。《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111-2006)中也有詳盡的方法計算多遇地震，但對罕遇地震下如何保證橋梁大震不倒則僅僅提出了橋墩增設護面鋼筋及加強承臺與樁的連接的抗震措施。對于獨柱式橋墩有兩種破壞模式[1]：柱底破壞或樁頂破壞。張永亮[2]進行了混凝土橋墩縮尺模型的擬靜力試驗和有限元分析，模型最終土體破壞或樁基破壞。包涵[3]利用SAP2000對高速鐵路鐵路橋墩進行了pushover分析，結果表明樁基為能力保護構件。李天寶[4]等進行了高樁承臺橋墩縮尺的擬靜力試驗和有限元分析，破壞模式為樁基開裂和土體破壞。然而，以上分析皆為鉆孔灌注樁基礎，對于鐵路橋梁采用管樁基礎的分析較少。

本文采用SAP2000對采用管樁基礎的高速鐵路橋墩進行pushover分析，研究獲取橋梁下部結構在地震的危險區域和破壞模式，為管樁在鐵路橋梁基礎的應用提供參考。

1　計算模型

1.1整體模型

本文研究對象為連鎮客專中某一橋墩：雙線、設計時速250km/h、32m簡支箱梁、圓端型橋墩、墩高8m。本文計算采用8根1.0m鉆孔樁(樁長47m，混凝土等級C30，縱筋配筋率0.5%(20C16)及1.0%(20C25)兩種，箍筋A10@110)或者8根直徑1m壁厚130mm的預應力PHC管樁(樁長47m，中掘法沉樁，PHC管樁詳見《預應力管樁圖集》(10G409))，土層信息如表1所示。根據葉愛君[5]等的分析，軸向力越大對橋墩抗側向力越有利，本文不考慮活載的豎向作用。

表1　土層信息表

整體模型示意圖如圖1所示，橋墩和樁皆采用桿單元，樁上部10m，每1m設置一個非線性彈簧單元模擬樁與土相互作用，樁下部其他區域每4m設置一個彈簧單元，樁-土彈簧單元力-位移關系見1.2節。

加載時采用位移控制，控制位移點為墩頂位移。

圖1　模型示意圖

1.2樁土相互作用模型

大震下變形較大，樁基土進入塑性。目前m法使用于變形較小的線性分析。美國石油協會規范[6]和《港口工程樁基規范》(JTS 167-4-2012)中都提到了p-y法，文獻[2,3]采用該方法，獲得較好結果。樁側土水平抗力-位移關系、樁周土豎向摩阻力-位移關系、樁尖土豎向抗力-位移關系參考美國石油學會API 規范及港口工程樁基規范給出循環荷載作用下p-y曲線，t -z曲線及q -z曲線。

1.3塑性鉸模型

文獻[2～4]中皆采用SAP2000自定義PMM耦合塑性鉸。 本文采用分布PMM 塑性鉸模擬樁身的非線性受力特性，即沿著構件在可能發生塑性的區域設置多個塑性鉸。根據各小區段塑性鉸的開展可以確定樁身塑性鉸的分布范圍，本文在樁身兩非線性彈簧中點設置一個塑性鉸。墩身塑性鉸設置在墩底部。塑性鉸采用SAP2000自帶FEMA 356自動生成。

1.4預應力管樁的模擬

定向運動的開展離不開定向地圖,而定向地圖又和常用的地圖有所不同，它不可以從網絡上直接下載，需要在原始的衛星圖基礎上，進行計算比例尺，考察實際地形來繪制地圖。所以，定向運動的開展離不開定向制圖人才。但是，據調查，南京普通高校定向運動的定向制圖人才并不能滿足學生的需求。

由于SAP2000不能直接添加預應力，采用傳統降溫方法無法解決樁身多點非線性約束問題，也不能在簡單桿系單元中實現，本文采用采用修改混凝土的應力-應變方法來考慮預應力作用。混凝土原始應力-應變狀態為0-0，施加預應力后為σ1-ε1，施加外力作用后加增量σ-ε。外力及預應力綜合應力-應變為 (σ+σ1)-(ε+ε1)。應力-應變函數假定為：

(σ+σ1)=f(ε+ε1)

(1)

將坐標軸向X軸方向移動ε1，Y方向移動σ1：

(σ+σ1-σ1)=f(ε+ε1-ε1)

(2)

得到應力-應變函數：

σ=f(ε)

(3)

即為用以計算不包括預應力新增外力的應力-應變曲線。

國標《預應力混凝土管樁》(10G409)1 000mm直徑管樁AB型有效預應力分別為6.75MPa，修改后與原應力應變曲線如圖2所示。預應力鋼棒屈服強度取σ0.2=1 275MPa，極限強度取1 420MPa。預應力鋼筋強度設置為屈服強度或極限強度減去預應力損失后的張拉應力，1 000mm直徑管樁A、AB、B、C型鋼筋屈服強度分別設為405MPa、440MPa、475MPa、505MPa，極限強度分別設為550MPa、585MPa、620MPa、650MPa。

圖2　混凝土應力-應變曲線調整

2　計算結果分析

2.1骨架曲線比較

采用鉆孔樁及不同型號PHC管樁橋墩的基底剪力-位移曲線如圖3、圖4所示，圖中A、AB、B、C表示PHC樁型號，0.5%及1.0%表示鉆孔樁配筋率。從圖中得出如下結論：

(1)采用管樁后，橋墩剛度明顯降低，這與管樁剛度小于鉆孔樁剛度吻合。

(2)采用A型樁時抗側能力較差，縱向力作用時基底極限剪力僅1672kN，僅相當于其他樁50%～70%，橫橋向時僅3 362kN，僅相當于其他樁80%左右。這與A型樁配筋較少有關，其抗彎承載能力較弱。

(3)除A型樁外，其他樁基底極限剪力接近，這時橋墩已進入塑性。

(4)鉆孔樁配筋率為0.5%時水平段較短，在頂部位移達到5cm時，即進入下降段，抗震性能較差。而PHC管樁，AB型樁在到達極限承載力附近即開始下降，抗震性能也較差。建議用于抗震設防烈度為7、8度地區的鐵路橋梁樁基鉆孔樁根據計算確定；采用PHC管樁時，宜采用B型樁或C型樁。

圖3　縱橋向基底剪力-墩頂位移曲線

圖4　橫橋向基底剪力-墩頂位移曲線

2.2塑性鉸發生區域比較

縱橋向、橫橋向樁基和橋墩塑性鉸位置及產生順序如圖5、6所示，圖中小圓點表示節點位置，大圓點表示塑性鉸產生位置，橫橋向A、AB、B型樁塑性鉸位置與C型樁一致。

根據塑性鉸產生位置及順序得出如下結論：

(1)本文工況中管樁縱橋向樁身塑性鉸范圍發生在0～6倍樁徑范圍，橫橋向在0～7倍范圍。根據文獻[2]的模擬，墩高越高則塑性鉸發生位置上移。本文計算了墩高為3m時工況，塑性鉸范圍發生在0～8倍樁徑范圍。建議在鐵路重力式橋墩高烈度地區采用管樁時增加螺旋筋加密長度至8倍樁徑附近。

(2)隨著預應力的增加，樁身抗彎能力增加，塑性鉸出現區域變小，C型樁不出現塑性鉸，塑性鉸出現在墩底。

(3)樁基為隱蔽工程，修復困難，采用B型或C型樁，樁塑性鉸區域范圍小，相比鉆孔樁有利抗震。

圖5　縱橋向作用時樁基和橋墩塑性鉸

圖6　橫橋向作用時樁基和橋墩塑性鉸

3　結論

(1)本文樁土接觸模型、預應力管樁模型及計算結果對管樁基礎的模擬和抗震設計具有參考作用。

(2)根據計算結果，A、AB型樁抗震性能較差，建議抗震設防烈度為7、8度地區的鐵路橋梁樁基采用PHC管樁時，重力式鐵路橋墩樁基采用B型或C型樁。

(3)鐵路重力式橋墩管樁塑性鉸發生在樁頂0～8倍范圍，建議高烈度地區用管樁螺旋筋加密區長度取8倍樁徑。

[1]日本鐵道綜合技術研究所.鐵道構造物等設計標準同解說—耐震設計[Z].東京:丸善株式會社出版事業部,1999.

[2]張永亮.鐵路橋梁樁基礎抗震設計方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學, 2013.

[3]包涵.高速鐵路橋梁樁基礎抗震性能研究[D].北京：北京交通大學, 2014.

[4]李天寶.高樁承臺基礎橋墩抗震性能研究[D].蘭州： 蘭州交通大學, 2014.

[5]葉愛君, 魯傳安.基于Pushover分析的群樁基礎抗震性能分析方法[J].土木工程學報, 2010, 2:88-94.

[6]RP2A-WSD A P I.Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design-[C]//Twenty-2000.

廖杰洪(1987.1-)，男，博士，工程師，主要從事結構檢測與加固，橋梁樁基礎的研究。

Elasto-plastic analysis of railway bridge substructure with PHC piles

LIAOJiehong

(China rail way Shanghai design institution group Co., LTD., Shanghai 200070)

Based on SAP2000, elasto-plastic of railway bridge substructure is analyzed. The non-liner relation between piles and soil was considered and the PHC piles section was simulated by discounting the section of circle piles with the same diameter. The prestress was simulation by modifying the strain-stress curve. The based reaction-displacement curve and the plastic hinges’ location and order of the piles were got and analyzed. The results show: the bridge substructures with A or AB type PHC piles have poor seismic performance; the location of the plastic hinges of the PHC piles are 0～8 times around the diameter below piles top and the hoop reinforcement length of piles in the area with high seismic intensity was adviced to take 8 times of the diameter.

Railway bridge; PHC piles; Pushover; Seismic performance

廖杰洪(1987.1-)，男，工程師。

2015-11-03

[U24]

A

1004-6135(2016)01-0088-03