地震作用下高桩承台桥梁结构工程简化模型的研究与分析

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1、2012年1月第1期城市道桥与防洪科技研究109地震作用下高桩承台桥梁结构工程简化模型的研究与分析李洞明(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市200092)摘要：目前考虑桩土相互作用的结构抗震分析中常采用Penzien模型，Penzien模型虽然比较简单，但在实际工程计算中仍然很繁琐。讨论高桩承台结构工程简化模型的参数确定方法，并用Penzien模型对其进行校核，结果表明，工程简化模型计算上部结构的地震响应有着一定的适用性。关键词：桩土相互作用；桩基础；Penzien模型；高桩承台桥梁；地震

2、中图分类号：U442．5+5文献标识码：A文章编号：1009—7716(2012)01—0109—06概述蠢釜等输人，故本文对工程场地的随着经济的飞速发展，大量桩基桥梁纷纷建本文采用的工程场地的土层性质如下：20in造，而地震灾害也在世界各地频繁地发生，桥梁震厚分层非线性土场地，此场地属于Ⅲ类场地土，具害已经引起了人们的重视，因此有必要对在地震体分层见图1。作用下土层中桩基础的地震响应以及考虑桩土相互作用的上部结构地震响应的计算方法进行研究灰色粉质粘土夹粉分析。由于Penzien模型形式比较简单，也基本

3、能灰色砂质粉土够反映地震荷载和土层对桩基和结构的影响，因灰色粉质粘土夹粉土此目前考虑桩土相互作用的桥梁结构抗震分析中常采用Penzien模型。尽管Penzien模型比较简单，V=292m／s0灰色粉质粘土夹粉土但在实际工程计算中仍然繁琐。在实际工程中，为匠乙乙乙乙乙了建模和计算方便，经常用如下简化来考虑桩土图1场地的土层分布情况相互作用：对于高桩承台结构，在冲刷线以下一定深度处固结，然后输人某一地震动作为激励；对于基岩采用的地震动输人为对应于Ⅲ类场地的低桩承台结构，经常采用6个弹簧(，K，，，1940E

4、1Centro波，加速度峰值分别采用0．2g和0．5g，其加速度峰值为0．2g时时程曲线见图2。，来模拟基础，输入冲刷线处的地震动作为激励。经过实际的应用和分析，低桩承台结构的这种工程简化模型具有较好的精度¨1，故本文将重点讨论如何建立高桩承台结构的工程简化模型，即在何处固结，以及输入何处地震动作为激励。为了确定简化模型的固结位置和地震动输入，本文主要进行了如下工作：分析自由场地中场地土的地震响应；采用Penzien模型分析影响上部图21940日Cen~o波加速度时程曲线结构地震响应的因素；提出固结位置

5、的确定方法，并讨论了土弹簧的计算方法；最后用Penzien模型对以上土层采用不同加速度峰值地震波作为激对工程简化模型进行了校核。励进行计算，土层中位置0m、一1ITI、一2ITI、一3ITt、一41TI和一5m的加速度时程见图3、图4。2自由场地的地震响应从图3、图4可知：在地震作用下，地表以下一在高桩承台结构的工程简化模型中，需要确定范围内土体的性质相近时，其加速度峰值和振动的频谱特性基本相同。因此在采用工程简化模收稿日期：2011-08—11型的时候，若在地表附近的土体性质相近时，可以作者简介：李洞

6、明(1979一)，男，江苏宜兴人，硕士，工程师。从事桥梁设计工作。采用地表的地震响应作为激励输人模型。110科技研究城市道桥与防洪2012年1月第1期．Ⅶ，田v删异0_。1吨505O5O50505O图31940ELCentro波、加速度峰值O．2g时土层中各位置的加速度时程图6一致输入地表处的地震动的PenzJen模型图41940ELCentro波、加速度峰值0．5g时土层中各位置的加速度时程3对影响上部结构地震响应的因素的探讨结构的地震响应主要由结构本身的振动特性和结构所受的地震激励所决定，以下本文将

7、改变Penzien模型中的结构自振特性和地震激励来研究上部结构的地震响应，具体做法如下：(1)结构自图7高桩承台结构立面布置图(单位：m)振特性的改变，把Penzien模型中的桩长进行改变，在桩底处固结，并输入相应位置处土层中的地震动，桩身其余位置仍用弹簧一阻尼单元来考虑桩和土的连接(见图5)；(2)地震激励的改变，根据以上分析，地表附近土中的地震响应基本接近，故在Penzien模型中一致输入地表处的地震动(见图6)。本文对多个工况进行了上述的计算，采用的结构型式、场地和地震激励描述如下：图8高桩承台结

8、构平面布置图(单位：m)(1)结构型式见图7、图8，通过改变桩的自由长度，J2和桥墩高度Ll来实现结构型式的改变；(2)工程场地，采用上文中工程场地(见图1)；(3)地震动，将不同场地受加速度峰值为0，2g、注：0．3g和0．5g的1940ELCentro波激励后的地震U。为地表处地震动响应施加到结构上。U．为深度为i处地震动经计算，各个工况的墩底弯矩见表1。U为深度为k处地震动U为深度为J处地震动从表1可以得出：(1)改变Penzien模