Voi. 37,No. 1
Jas. 240]
第37卷，第］期2421年1月
WORLD EARTHQUAKE ENGINEERIDG
文章编号：ld7 -6069(202101 -0103 -08
高承台下自由桩长对双薄壁墩连续刚构桥
地震响应的影响
王帅，宋帅，张巍
(太原理工大学土木工程学院，山西太原030024)
摘 要：为探究高承台下自由桩长对双薄壁墩连续刚构桥地震响应的影响，基于OpenSees 程序建立 了实
桥有限元模型并进行弹塑性时程分析，通过对比不同自由桩长模型的时程曲线、峰值响应及滞 回特性，分析了自由桩长对桥梁地震响应的影响。结果表明：自由桩长增加会减小桥梁刚度；地震作 用下，随自由桩长增加，主梁、支座及自由桩顶的水平位移增大，且支座位移增幅大于主梁和桩顶的
位移增幅，墩底内力及变形减小；地震作用下，桥梁边墩的横桥向曲率大于中墩，矮墩的纵桥向曲率 大于高墩，边墩的内肢墩较外肢墩更易遭受破坏。 关键词：高承台；自由桩长；双薄壁墩连续刚构桥；弹塑性时程分析
中图分类号:U442.5+5
文献标识码:A
Influence of free length of piles under high platform on seismic response of continuous
rigid flrmr briggrs with double thin-wall piers
WANG SSuni , SONG SSuni , ZHANG Wai
(School of Civil EngineeXng , Taiyaan Univexity of Technology , Taiyaan 03OO! , China )
AbstrrcO : To investinata thv 0)x 11 of frea lenyth of pilas undar high plahoxn on seismic xsponsv of continnoos
Xyid frama bridya with dopUla thin-wal l piers , finita element models wax built based on n real bridya by thv OpenSevs pxpram , and thv elastoplastic time-history analysis wus peXoxned. By compaXny thv timnhistox cuxv ； peak xsponsas and hysteresis charncteXstics of bXdyvs with diOerent frea lenyth of pilas , thv OCxenco of frea
Unyth of piles on thv bridyes ' seismic xsponsv wus analyzed. Thv xsults show thut thv increasa of frea Unyth of pilas will reduca thv shOness of bXdyes. Undar thv eprthquaka , thv dispincemedt of main beam , beaXny and thv top of frea pilas increasvs with thv increasa of frea lenyth of pilas : thv increasa of beaXny Uispincemedt is yreatar
thun thut of main beam and top of pilas , and thv intexal foxa and UefoxnaSon of piar bottom ara reduced. Thv
hans v ersa cuxatura of side pOn is yreatar thun thut of middiv piar undar thv eprthqudka ； thv lodyitudinai cuxatura of low piar is yreatar thun thut of high piar, and thv innar piar of bXdyv sida piers is morn ^1111” to damaya thun thv outer piers.
Key wordt : high plahoxn ； frea lenyth of pita ； continuous Xyid frama bridyas with dopUla thin-wall piers ； elasto-
plastic tima histox analysis
收稿日期:2017 -07 -05；修订日期：2020 -67 -09基金项目：国家自然科学基金（51d377-
作者简介：王帅（1993 -），男，硕士生，从事桥梁抗震方面研究.E-mail ： hpuwangsPuai@173. 00m
通讯作者：张巍（1963 --，男，副教授，博士，从事桥梁检测与加固方面研究.E-mail : zhangwei_wbl@ 103. com
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世界地震工程第37卷
引言
随着我国交通 项目迅 ，桥梁在公路中 越来越大。双薄壁墩 构 跨越能
力大、易于施工、行车舒顺 养护简便和造 低等优点
广 ⑴。近年来，大跨双薄壁墩 刚
构桥的抗震性
梁 和研究人员的 。目前已有学者研究 双薄壁墩 构桥抗震性能的
然而既有研究的关 点多在桥墩形式和边界 方面。据相关 ⑸，我国的大量桥
梁(尤其是跨河桥梁)中采用了桩基础+高承台的结构模式(即高桩基础)o 高桩基础因桩基自由长度较大,
基和 在 下会与桥墩及上部结构 。目前学者在研究此类桥梁时一般仅关注承
量的
基础的 形态［―8，极少有研究关 基自
双薄壁墩 构桥地震 的
。
根据力学
，桩基自
的增加会减小桥梁 ,
大桥梁在地震下变形。鉴于不
型的抗震性能存在 差异，为研究双薄壁墩连续刚构桥的土-桩-墩及上部结构 ,
在役
的四跨双薄壁墩 构 研究
，基于OpwSees 程序建立
自 的精细化有限元模型，通过
弹塑性时程分析研究高 下自
双薄壁墩
构桥地震
的 。
1工程实例
I.】工程背景
梁
国西南地区嘉陵江上，为四跨预应力混凝 构(66+2xl22 +66)m ，上部结构采用双
箱 截面，跨中及边跨 现浇段梁高2.36 m ，点处截面梁高7. 26 m，梁高按1.3】 线 ，主梁 采用C55混凝土；桥墩为双薄壁墩(7.25 mx1.3 m )，材料采用C52混凝土和HRB335钢筋，墩顶和墩底各
有5 m 钢筋加密段；承台厚5 m，平面尺寸为12.6 m x27 m ，采用C42混凝土；承台下的桥墩基础采用5根
02.2 1 基础，桩基 中 泥质砂岩，最大
力为25 956 kN，材料采用C35混凝土；采用U 型 , 基 中
砂质泥岩；
上各设置1个 量为±202 mm 的GPZ
(II )7DX 和3个GPZ ( II )7SX
；梁端伸 处设置242型型钢伸 。桥梁整体布置及箱梁
截面、 墩截面和 基 置 1
。
址场地抗震设防
W 度，设计地震分组为第一组，设计地震动峰值加速度为2.25 g ，地震特征周
期值为2.35 s，场地为中硬〜中软的I 类 地。
3#承台
支点截面尺寸
(d )桩基布置
图1桥梁几何参数(除钢筋间距为mm 外，其余单位均为m )
Fig. 1 Geometric parameters of tUe b/dge ( alt tUe units are m exceqt tUe spacing of reinforcement is mm)
2#1墩
一 66.0 一 一
120.0 一 120.0
一 一 66.0 一
n qp
nr n
入2#2墩3#1墩
3#2墩 /2#承台
嵌固段
(a )全桥布置
=
自由段
第1期王帅，等：高承台下自由桩长对双薄壁墩连续刚构桥地震响应的影响105
1.2有限元模型
基于OpnSees程序建立有限元模型，如图2所示。桥梁的上部结构和在地震下一般处于弹性状态，用弹性梁柱单元模拟；桥墩在地震下生塑性，截面采维截面，混凝Cos cxte40材料模拟，钢筋用Steel40材料模拟，桥墩单元采用Foxc-hased Beam-holums单元模拟；主梁与墩顶结；因桥墩桩基中岩石地基中，桩基简等弹簧以模拟，采元模拟；支座用OpenSees程序内置的Elastomeric Bearing(Bone-Wen)单元模拟；为考虑桥台桩基及台背填土对的，采元模拟桥台；采Truss单元模拟主梁与的。
图0桥梁有限元模型
Fig.0Finite element model of the bridge
1.2模型参数取值
基自制参数建立梁模型分析。鉴于实桥中自4m，自由桩长一般较少会超过6m，建立了模型4』和C三个有限元模型，桩基自由段长度分别取4.5m、4m及6m，基 段均取7m。
模型关键参数的依据及结下5的根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B40-41-2408)［d-，屈服取4.0
44m，屈服力为112kN,26353kN/m；从向刚度参考美国加州桥梁抗震［1］，参献［0］计算，分 1.2xl45aN/m和1.436xl45kN/m；梁端伸缩缝的碰撞刚度参考文献［5］取为主梁最小线刚度的1/3，屈服力取为桥台的屈服力，参考文献［1］计算，碰撞刚度和屈服力分别为1xl46kN/m和3.45xl46kN；桩基刚度根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2047-〔1］中的m法计算,m取14004kN/m4,m0取24004kN/m4，考虑0倍的土层动力放大，基6个等见表1
表1模型的桩基等效刚度
Table1Equivalent stiOsess of pile fouudatiox of the models
模型模型A模型B模型C
桩基自由长度0.3m4m6m
纵向抗侧刚度k,4207873kN/n0367624kN/n1646220kN/n
横向抗侧刚度Kyy4617030kN/n0502489kN/n1725065kN/n
桩基竖向刚度K e20260200kN/n20604456kN/n20003739kN/n 各方向刚度纵向抗弯刚度K
rf191116837kN-m/nk165230531kN-n/nk10941206kN-n/nk
横向抗弯刚度K rx19366619kN-m/nk167360041kN-n/nk1069851kN-n/nk
抗K rz采用较大值计算
2地震动选取及分析
梁计算采用弹塑性时程分析方法,5条实际地震，以地震加速度峰值(PGA)作为地震强度指标。地震基配谱的方法从美国太平洋地震工程研究中心(PEER)的强震数据库
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世界地震工程第37卷
王若威(NGA-WesW)选取，记录选自I 类场地上 地震事件的5条加 时程 ，设计谱根据《公路桥梁抗震
设计细则》(JTG/T B02_01 _2008)计算，平台值为0. 17 y 。每条记录两个水平分量的PGA 均按0.65 y 、
0.1 d 、0.2 d 、0.3 d 、0.4 d 、0.5 d 、0.6 d 、0.6 y 及 0. 8 y 进行调幅，并沿
和 时 模型 ：。
地震 息见表2o
表2地震动记录信息
Table 0 IOormatioc of gmand motioc records一体化机芯
序RSN 地震事件震级层Tm
人36/(111 • y1)
EW 方向PGAg
NS 方向PGAg蜂衣
1
3
Humboit Bay 53871.57
桥壳219.31
0.039 6.0362123Friull_ Itaiy - 01
635
80.41352.050.669 6.057
3
1109Chi - Chl_ Taivan 73650.53
4973530.666
0.05144205
Niigata_ Jayan 636
40.1448836504810.666
5
6933DaUield_ New Zealand
7.035.23
342.77
0.068
0.662
注:RSN( Record Sequence Number-为地震动记录在NGA-WesW 中的序列号,EW 方向记录沿纵桥向输入、NS 方向记录沿横桥向输入。
3结果分析
首先对模型进行模态分析，得到模型和C 的一阶自振周期分别为1.36 s 、1.37 s 和1.07 s , —阶振 型
。
下自 梁整体 有 显的 ，且随自由桩长增加，桥梁刚度
减小。
3. 2 时程响应
3.8.8主梁跨中位移时程
握桥梁上部结构的动力特性，图3示出了各模型的主梁跨中 时程曲线。可以看出：同一桥梁的
主梁跨中横向位移大于纵向位移，模型4、p r c 的纵横向位移峰值分别为0.177 m 和0.164 m 、0.108 m 和
0. 172 m 、0. 111m 和0.200 m;；
中医推拿按摩床梁，主梁跨中的 随自 加而增大, 幅
略大于纵向位移，模型C 较模型4的 分 大了 3.74%和22.2%。
—纵桥向——
横桥向、 ---纵桥向0.164 ml -----横桥向RSN123地震动记录
时间/s (c)模型C
PGA=0.5 g
PGA=0.5 g
RSN123地震动记录20 30
20 30 40
时间/s
(b)模型B
时间/s (a)模型/
图3主梁(左跨)跨中位移时程
Fig. 3 DispUcemewt time-PisWg curve ix the spas of maix beam (left span)
3.8.0承台底部位移时程
模型的 ，提取2#承台底部节点的位移时程曲线如图4所示。结果表
明：模型4』和C 的纵横向位移峰值分别为0.05 2 m 和0.733 5 m 、0.029 9 m 和0.049 1 m 、0.053 0 m 和
0.752 2 m，模型C 较模型4的纵横向位移分别增大了 121.0%和35. 6%。
3可知：随自
力卩，承台的 幅大于主梁跨中的 幅, 的增幅差
现尤 显。分析 自 加 梁整体 下降，而主梁在 方 梁端
等制 导致主梁 幅较小。
第、期王帅，等：高承台下自由桩长对双薄壁墩连续刚构桥地震响应的影响
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图4 2#承台底部位移时程曲线
Fig. 4 DispUcemenl time histou chue st the bottom oP so. 2 platform
3・2 峰值响应
3.2.3墩底曲率峰值
既有研究
双薄壁墩连续刚构桥的墩底部位较墩顶部位更易发生屈服和破坏口3。墩底截面曲率作
截面层次的变形指 准确地反 墩真实损伤情况，通过查看墩底截面曲率变形峰值对比各模型桥
墩构件的地震 。各墩的墩底截面曲率峰值
5-6所示。
O
0 08二
)*«0.001
0.000
0.0 0.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
PGA/g
(a)模型力
0.004 Op 0.003 5 10.003 0 10.002 5 10.002 0 10.001 5 10.001 0 10.000 5 10.000 oL
0.0
3#13#2—■
PGA/g
(b)模型B
图5横桥向墩底截面曲率峰值
0.004 00.003 5_ 0.003 0目 0.002 50.002 00.001 50.001 00.000 50.000 0
Fig. 0 Tuosveve peak chuaturo of pies bottom section
|1#1
g m M ffi
0.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050.000
0.0300.025
0.0200.015
0.0100.005
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
PGA/g
(a)模型力Fig. 6
0.000
0.0 0.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.8
0.025-
目 0.020-
毎 0.015〕 ® 0.010〕
0.0050.000
0.0
PGA/g (C )模型C
PGA/g
(b)模型B
图5纵桥向墩底截面曲率峰值
Lougitudidol peak chueturo cP pies bottom section
£二
)»«出：桥墩墩底截面曲率随PGA 增加逐步增大；相同强度地震 下，墩底的纵桥向截面曲率远大
方向3 曲率峰值随自 加口 减小 。就
梁而言,PGA w
4.5y 时，各墩墩底截
面曲率峰值基本 ；而PGA 〉4.5y 时，各墩墩底截面曲率峰值差 大。分析图5知:PGA 〉4.5y 时，桥
梁边墩内肢墩（1#2和3#5）的 墩底截面曲率值最大，边墩
墩（1#5和3#2）次之，中墩（2#5和2#2）
最小；分析图6知:PGA 〉4.5 y 时，桥梁矮墩（I #1和、#2）的 墩底截面曲率值最大，中墩（2#5和2#2）
次之，高墩（3#5和3#2）最小。
上分析 ：随自
加口，桥墩墩底的截面曲率减小，在地震 下 墩构
智能识别技术护。强
震 下边墩的 曲率大于中墩，自 小的桥梁中表现尤 显；矮墩的 曲率大于高墩;
边墩内 墩的 曲率大 边墩 墩
。
