混凝土桩与H型钢桩支撑的整体桥抗震性能研究

时间：2024-06-19

庄燕婷

(闽南理工学院土木工程学院福建泉州 362700)

整体式桥台无缝桥(简称整体桥)可从根本上解决传统桥梁伸缩装置易损性和耐久性问题，是一种具有整体性和耐久性好、行车舒适和抗震性好等优势的新型桥梁结构，在国内外受到许多桥梁设计者的喜爱。然而，整体桥与传统桥梁在受力性能上也存在很大差异，由于取消了伸缩缝与伸缩装置，在温度荷载作用下，整体桥主梁的伸缩变形会引起桩基础和桥台产生较大的往复变形，使得桩基础成为整体桥受力最为薄弱的部位之一〔1〕。文中将依托某座整体桥，建立全桥杆系有限元模型，模型中在柔性桥台下分别设置了最为常用的矩形桩、圆形桩和H型钢桩，考虑E1、E2地震作用，研究柔性桥台下设置混凝土桩基和H型钢桩对整体桥上部结构和下部结构抗震性能的影响，研究结果可为整体桥的设计和相关规范的制定提供参考。

1 工程背景

1.1 工程简介

以某座预应力混凝土整体桥为工程背景，主跨长35m，桥宽23m，引板长9m，桥台高5.967m(未含主梁高1.0m)，整体布置详见图1。其中主梁采用预制T型梁截面，梁高1.0m，采用C50混凝土；柔性桥台厚800mm，宽23000mm,采用C40混凝土；承台宽2100mm，长23000mm，采用C40混凝土；圆形桩基础长21m，桩径为1.0m，采用C40混凝土。公路等级为二级，设计荷载为汽-20、挂-100，整体升、降温为20℃。

(a) 整体布置图

(b) 1/2主梁全截面

1.2 桩基设计

该整体桥采用钢筋混凝土圆形桩为主，在此基础上进行桩基类型设计，采取弱轴向等宽度和竖向承载力等强度的设计原则确定各桩基截面尺寸，最终选用了国内外整体桥广泛采用的矩形桩、圆形桩和H型钢桩作为研究对象，各桩基截面尺寸如图2所示。设计桩基参数主要为：圆形混凝土桩采用C40混凝土，轴心抗压强度设计值fc为19.1MPa, 弹性模量E为32.5GPa，截面面积A为0.7854m2；矩形混凝土桩采用C30混凝土，轴心抗压强度设计值fc为14.3MPa, 弹性模量E为30GPa，截面面积A为1.0m2；H型钢桩采用Q235钢材，抗压强度设计值fs为215MPa, 弹性模量E为206GPa，其截面面积A为0.07036m2。最终，矩形桩、圆形桩和H型钢桩的弱轴向受力宽度均为1000mm，竖向截面强度分别为 14300kN,15001.14kN和 15127.4kN。与原型桩相比，矩形桩的竖向截面强度降幅为4.6%，H型钢桩的竖向截面强度增幅为0.84%。因此，这三种类型桩对整体桥抗震性能的影响具有较好的可比性。

(a) 矩形桩

(b) 圆形桩

2 有限元模型建立

采用MIDAS CIVIL 2015软件建立整体桥全桥有限元杆系模型，见图3。主梁和柔性桥台通过梁格法进行建模，横向联系采用虚拟横梁进行模拟。桥台与主梁采用刚接，桥台与承台及其下部桩基础采用共节点建立。桥面铺装通过荷载的形式平均施加至主梁上。全桥有限元模型共计1266个单元和787个节点。

模型中考虑了桩-土和桥台-土相互作用。该整体桥桩侧和台侧的地质情况详见图1，桩侧通过线性土弹簧模拟，土弹簧刚度采用《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)中的‘m’法进行计算，桩底采用固结。台后土弹簧的刚度采用美国国家公路合作研究计算(NCHRP)给出的密实性砂土的土压力系数确定，详见文献。〔2〕

图3 整体桥有限元模型

3 自振特性分析

分别对三种类型桩基支撑的整体桥的前6阶自振模态和频率进行分析，限于篇幅，仅给出第一阶的自振模态图，主要通过列表形式进行比对，详见图4和表1所示。

由图4和表1可知，采用不同类型桩基对整体桥自振模态的影响较大，但对结构频率的影响较小，频率最大误差约为5.7%。结果显示，圆形桩支撑的整体桥自振模态表现为桥台对称弯曲，而H型钢桩和矩形桩支撑的整体桥自振模态相同，均表现为主梁一阶竖弯。前6阶模态显示，圆形桩支撑的整体桥主要表现为桥台变形，结构相对较柔，而H型钢桩和矩形桩支撑的整体桥主要表现为主梁变形，结构刚度较大。

(a) 圆形桩

(b) 矩形桩

4 整体桥抗震性能分析

4.1 地震反应谱

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTGT B02-01-2008)及相关工程背景资料，该整体桥的抗震设防类别为B类，场地条件为II类，特征周期Tg为0.40s，7度设防烈度(0.10g)，阻尼比为0.05，分别考虑E1、E2 地震荷载以模拟小震、大震作用，如图5所示。

表1 不同桩基支撑整体桥自振特性分析

(a) E1地震作用反应谱

(b) E2地震作用反应谱

4.2 整体桥抗震性能分析

4.2.1 主梁抗震性能分析

在E1地震作用和E2地震作用下对整体桥上部结构的抗震性能进行分析，同时分别考虑X、Y、Z三个方向的地震力，表2和表3分别列出了在E1、E2地震作用下的主梁最大位移和内力地震响应。

结果分析可知，在E1、E2地震作用下，圆形桩支撑的整体桥主梁位移地震响应要大于矩形桩的。其中，E1地震作用下，梁端最大位移值约增大4.25%～21.74%，跨中最大位移约增大0.67%～7.76%；在E2地震作用下，梁端最大位移值约增大4.25%～20%，跨中最大位移约增大0.68%～7.73%。而与圆形桩相比，H型钢桩的主梁位移地震响应明显较大，其中以梁端竖向最大位移最为显著，最大增幅达到了96.42%。梁端竖向位移越大，引起主梁与桥台固结处产生的拉应力越大，越容易引起该处主梁与桥台混凝土的开裂。从中可说明当整体桥采用矩形桩作为其桩基础时可有效降低主梁的位移地震响应。此外，从主梁内力地震响应对比分析可知，E1、E2地震作用对三种类型桩基支撑的整体桥主梁内力响应影响较小。

表2 E1、E2地震作用下主梁最大位移

表3 E1、E2地震作用下主梁最大内力

4.2.2 桥台与桩基抗震性能分析

在E1、E2地震作用下对整体桥桥台与桩基的抗震性能进行分析，也分别考虑X、Y、Z三个方向的地震力，表4和表5分别列出了在E1、E2地震作用下的桥台与桩基的最大位移和内力响应。

结果分析可知，与矩形桩相比，圆形桩支撑的整体桥的桥台位移地震响应较大，最大提高了12.0%，但其桩基位移地震响应有所减小，最大减小了14.16%。而与圆形桩相比，H型钢桩支撑的整体桥的桥台位移地震响应较大，最大提高了23.08%，但其桩基位移响应较小，最大减小了38%。从以上研究显示，采用不同类型桩基对整体桥下部结构位移的地震响应各有差异。整体桥的桩基础变形较小，主要依靠柔性桥台的变形来消耗地震能量。

此外，研究还可知，与矩形桩相比，圆形桩支撑的整体桥的桥台和主梁内力地震响应较为相近，最大升、降幅均在28%左右，而H型钢桩支撑的整体桥桥台内力地震响应相对更大，最大增幅达到了46.9%，但其桩基内力地震响应则明显更小，其最大降幅达到了41.45%。研究显示，在高震区，整体桥的桩基础将承受较大的地震荷载，建议采用H型钢桩更好，其强度高，延性好，可很好地抵抗较大的地震力。〔3〕而混凝土桩承受的地震荷载较H型钢桩大，可有效防止混凝土桩基发生严重的混凝土破碎甚至剪切破坏。

表4 E1、E2地震作用下桥台与桩基位移

表5 E1、E2地震作用下桥台与桩基内力