橋梁PHC管樁基礎抗震性能分析

沈曉燕

(安徽交通職業(yè)技術學院，安徽 合肥230051)

摘要：PHC管樁具有良好的經(jīng)濟性能，近年來在大量的土木工程中得到了應用，但目前國內對其抗震性能的研究較少。對其抗震性能進行深入的研究分析是確保其良好安全性的重要內容。在此以托徐明高速公路橋梁的PHC管樁試點應用工程實例，進行了地震反應譜分析和時程分析，分析時考慮樁-土-結構相互作用PHC管樁的地震反應。研究結果表明：樁-土-結構相互作用減小了PHC管樁的地震反映。普通的PHC管樁很難適應高烈度區(qū)橋梁抗震的需要。通過對普通型PHC管樁的適當加強，擴大了PHC管樁在高烈度區(qū)橋梁的適用范圍。

關鍵詞：PHC管樁；地震反應分析；樁—土作用

收稿日期：2015-04-06

基金項目：本文系安徽省級質量工程項目教學研究項目“路面工程技術”(編號：2013gxk141)研究成果。

作者簡介：沈曉燕(1982-)，女，吉林長春人，安徽交通職業(yè)技術學院助教，碩士，研究方向為公路橋梁技術。

中圖分類號：U442.文獻標識碼：A

1橋梁用PHC管樁抗震性能分析的目的與意義

PHC管樁是一種經(jīng)濟適用的基礎形式，但目前在橋梁中應用較少，相關的研究不多。普通的PHC管樁是否能夠適用于高速公路橋梁的需要，必須進行詳細的管樁受力性能分析來確定，以從結構理論上解決管樁在橋梁結構的應用問題。本次分析的總體思路是利用空間程序建立一橋梁的整體模型，真實反映管樁基礎的受力狀態(tài)和機理，首先尋究普通型管樁應用可能性，如果計算結果不理想，再改進現(xiàn)有的普通型管樁。加強型管樁以不改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝為原則，力求經(jīng)濟和適用。本文依托徐明高速公路的PHC管樁試點應用項目，詳細分析PHC管樁抗震性能。

2橋梁用PHC管樁抗震性能要求

根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)，確定徐明高速中小跨徑橋梁抗震設防類別為B類。依據(jù)橋梁橋址地震活動性及所在線路等級，擬定采用管樁基礎的中小跨徑橋梁的抗震設防目標見表2-1，抗震性能目標及其驗算準則見表2-2。

表2-1中小跨徑橋梁抗震設防目標

橋梁抗震設防類別地震水準與抗震設防目標多遇地震(E1)設計地震(中震)罕遇地震(E2)B類不受損,不需修復。允許部分損傷,修復后能夠保證通行能力;不發(fā)生落梁。允許有損傷,但不發(fā)生落梁、不倒塌。

表2-2抗震性能目標及檢算準則

設防水平性能目標驗算準則E1地震作用樁基礎保持彈性;M

表中，① 表中M按恒載和地震作用最不利組合(恒載軸力-地震軸力)計算；②Md-截面彎矩設計值；③Mu-截面極限抗彎強度。

綜上所述，樁基抗震性能控制指標見表2-3：

表2-3樁基抗震性能控制指標

表中，Nc—軸向壓力；Nt—軸向拉力；fcd—混凝土抗壓強度設計值；ftd—混凝土抗拉強度設計值；A—管樁橫截面面積；Qd—剪力設計值；Qu—剪力極限值；σc—壓應力；σt—拉應力。

3模型的建立

3.1整體模型

整體模型采用MIDAS/CIVIL程序建立，如圖3-1所示，上部結構采用空間梁格建立，蓋梁、墩柱、承臺、樁基礎均采用空間梁單元模擬，上部結構與蓋梁采用彈性支座連接，墩柱與蓋梁、承臺采用剛性連接，樁基礎與承臺采用剛性連接，樁基礎采用土彈簧約束。

圖3-1　整體模型圖

3.2邊界條件

1)上部結構與下部結構的連接：邊墩的支座按照滑動支座考慮，不模擬水平向的約束。其余墩的支座，豎向采用剛性連接，水平向為彈性連接，剛度系數(shù)按照容許水平力/容許水平位移計算。

2)整體模型中由于承臺按照梁模擬，4根樁基礎采用剛臂與承臺連接。

3)樁—土作用的考慮

使用分層文克爾土彈簧模擬樁基礎。將土層分層簡化為文克爾彈簧，假定樁土之間的相互作用力與深度和樁身水平位移的乘積成正比，將群樁基礎中的每排樁視為彈性地基梁，樁土之間的相互作用由彈簧對梁的水平彈性支撐來實現(xiàn)，稱為等代土彈簧剛度。

σzx=mzxz

其中：a為土層的厚度；b1為樁計算寬度，按照規(guī)范的有關規(guī)定取值。

4抗震分析結果

4.1結構動力特性分析

結構動力特性分析中，結構的固有頻率和振型是最基本的動力特性。報告給出了結構的前10階頻率(見表4-1)及1～5階振型圖(如圖4-1～4-5所示)。

表4-1　成橋狀態(tài)動力特性

圖4-1　第一階振型

圖4-3　第三階振型

圖4-4　第四階振型

圖4-5　第五階振型

圖4-2　第二階振型

4.2小震(E1)作用下抗震分析結果

小震(E1)作用下，管樁的地震響應如圖4-6～4-10所示。

圖4-6　管樁軸力-x圖

圖4-7　管樁彎矩-y圖

圖4-8　管樁剪力-y圖

圖4-9　管樁應力-x圖

圖4-10　管樁軸力-x圖

4.3中震作用下抗震分析結果

中震作用下，管樁的地震響應如圖4-10～4-13所示。

圖4-11　管樁彎矩-y圖

圖4-12　管樁剪力-y圖

4.4大震(E2)作用下抗震分析結果

大震(E2)作用下，管樁的地震響應如圖4-14～4-17所示。

圖4-13　管樁應力-x圖

圖4-14　管樁軸力-x圖

圖4-15　管樁彎矩-y圖

圖4-16　管樁剪力-y圖

圖4-17　管樁應力-x圖

6結論

1) 在小震作用下，普通型管樁和PHC-加強型管樁關鍵部位均保持彈性，管樁自身的彎矩、剪力和樁身結構承載力均小于設計值，最不利組合下樁頂應力均小于容許應力值，均滿足抗震性能要求。

2) 在中震作用下，PHC-加強型管樁關鍵部位保持彈性，管樁自身的彎矩、剪力和樁身結構承載力小于設計值，最不利組合下樁頂應力小于容許應力值，滿足抗震性能要求；在中震作用下，管樁自身的剪力超過了普通型管樁抗剪設計值，普通型管樁不滿足抗震性能要求。

3) 當遭遇罕遇地震時，PHC-加強型管樁自身的彎矩、剪力和樁身結構承載力小于極限值，最不利組合下樁頂應力均小于容許應力值，滿足抗震性能要求；在罕遇地震作用下，管樁自身的剪力超過了普通型管樁抗剪極限值，普通型管樁不滿足抗震性能要求。

4) 由此可見普通型管樁進行適當改良之后，可以滿足一般地震烈度區(qū)的橋梁抗震需要。

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責任編輯：文月