摘要:为研究桩基桥墩—地基系统的非线性性能,根据模型与原型的物理相似关系制作1∶5比例的桩基桥墩模型. 采用力—位移混合控制加载的拟静力试验方法,通过在墩顶施加水平单调增加载荷,得到墩顶水平载荷下桩基桥墩的载荷—位移滞回曲线、骨架曲线和滞回特性. 用非线性弹簧单元模拟土体、用梁单元模拟桩和桥墩,建立模型桥墩的计算模型. 计算模型的骨架曲线与试验模型的骨架曲线吻合较好,表明采用非线性弹簧单元和梁单元分别模拟土体和桩是可行的,可以为考虑土—结构相互作用时的桥梁抗震分析提供参考依据.
关键词:桩基桥墩; 滞回特性; 水平单调载荷; 土—结构相互作用
中图分类号:U442.5;U443.15;U443.22文献标志码:A
Hysteretic characteristics of pile-supported bridge piers under
level monotonic load
DONG Zhengfang
(Dept. of Bridge Eng., Tongji Univ., Shanghai 200092, China)
Abstract: To study the nonlinear performance of pile-supported bridge pier-foundation system, a 1∶5 scale pile-supported bridge pier model is built according to the physical similarity between the prototype and the model. The hysteretic curves, skeleton curves and hysteretic characteristics of load-displacement of pile-supported bridge piers under level monotonic load are obtained by using the pseudo-static test method that uses the force-displacement control load and imposing load on the top of the pier. The computation model is built for the model of the pier by using nonlinear spring element to simulate soil and beam element to simulate piers and piles. The skeleton curves of the computation model is well in agreement with the one of the test model and it is shown that it is feasible to use nonlinear spring element to simulate soil and beam element to simulate piles, and so it can provide reference for the analysis on the seismic resistance of bridges considering soil-structure interaction.
Key words: pile-supported bridge pier; hysteretic characteristic; level monotonic load; soil-structure interaction
收稿日期:2009-03-01修回日期:2009-04-26
基金项目:国家高技术研究发展计划(“八六三”计划)(2004AA505240; 2005AA505101-517)
作者简介: 董正方(1980—),男,河南滑县人,博士研究生,研究方向为桥梁抗震、轨道交通抗震等,(E-mail)carmanhouse@sohu.com
0引言
目前,我国桥梁工程中大量使用桩基桥墩,特别是铁路上广泛使用少筋混凝土重力式桥墩,其墩身延性很差,对抗震不利.然而大量震害资料表明,这种少筋混凝土重力式桥墩有时却能够抵抗高烈度地震.显然,这种桥墩仅仅依靠自身的延性无法抵抗高烈度地震,应该考虑地基的耗能作用.[1,2]因此,开展桩基桥墩—地基系统非线性性能的研究十分必要.
重力式混凝土桥墩滞回特性研究的特点[3]在于,必须涉及到地基土的弹塑性性态以及基础与地基之间的非线性问题.由于地基土性质的复杂性以及滞回特性分析中要考虑土的加载、卸载以及再加载的本构关系,使得理论分析十分复杂.利用模型试验,可以了解桥墩基础与地基相互作用时土本构关系的主要特点,从宏观上把握桥墩滞回特性的大致规律,为进行理论分析作好准备.为此,本文通过模型试验手段,研究桩基桥墩的滞回特性.
1模型试验
1.1模型制作
选择某实桥桩基桥墩作研究对象:桥墩基础形式为高承台桩基础,圆端形桥墩.试验模型取1∶5比例模型,为使模型试验结果能尽量真实地反映原型结构的性状,必须考虑原型与模型的物理相似性.基于Bockingham π定理,建立相似条件一般有2个途径:(1)如果未知描述物理现象的基本方程,可通过量纲分析建立相似条件;(2)如果已知描述物理现象的基本方程,可根据基本方程建立相似条件.对于文中的模型试验,由于未知描述物理现象的基本方程,因此通过量纲分析建立相似条件.[4]结构的地震反应问题在线弹性范围内可表述为如下函数关系:σ=f(l,E,υ,η,c,φ,ρ,P)(1)
δ=f(l,E,υ,η,c,φ,ρ,P)(2)式中:σ为结构反应应力;l为结构构件尺寸;E为混凝土的弹性模量;υ为混凝土的泊松比;η为构件配筋率;c为地基土的内聚力;φ为地基土的内摩擦角;ρ为混凝土和地基土的容重;P为结构上受到的集中外力;δ为结构反应的位移.取l和P为基本量:[l]=L,[P]=p,那么,其余各量均可表示为L和p的幂次单项式,进而可得无量纲积πi,具体表示形式如下:
π1=E/L-2p,π2=v/L0p0,π3=η/L0p0,
π4=c/L-2p,π5=φ/L0p0,π6=ρ/L-3p,
π7=σ/L-2p,π8=δ/Lp0
结构的所有线性尺寸具有同一个相似常数,即取Cl=5,同时又取Cσ=1,所以模型其他相似常数取值如下:
由π1得CE=1,即模型混凝土的弹性模量与原型相同;由π2得Cυ=1,即模型混凝土的泊松比与原型相同;由π3得Cη=1,即模型混凝土的配筋率与原型相同;由π4得Cc=1,即模型土的内聚力与原型相同;由π5得Cφ=1,即模型土的内摩擦角与原型相同;由π6得Cρ=1/5,即模型土或混凝土的容重为原型的5倍;由π7得CP=25,即模型上加的集中力为原型的1/25;由π8得Cδ=5,即模型上产生的位移为原型的1/5.为了模型制作的方便,同时又不违背素混凝土或少筋混凝土桥墩单一截面的破坏特点,对桥墩的截面形式可做如下等效:原型桥墩的截面形式为圆端形,将其等效成矩形,等效原则是以墩底控制截面的横桥向抗弯惯性矩相等;桩基长度结合土工槽高度以及一定深度下桩基应力急剧减小的现象,取为1.8 m.具体尺寸见图1.
图 1模型桥墩构造,m
墩顶施加竖向恒定载荷模拟桥梁上部结构自重.施加的水平载荷单调增加,采用力—位移混合控制加载,先是力控制加载,然后改用位移控制加载.力控制加载历程为:±10 kN,±20 kN,…,±60 kN.位移加载历程为:±1.0 mm,±3.0 mm,…,±29.0 mm,每次加载反复3次.
1.2模型试验数据采集
试验主要采集的数据包括:墩顶位移、承台位移、桩基应变、承台转角及墩顶横向载荷.墩顶和承台位移分别由量程为200 mm和100 mm的电阻应变式位移传感器测试.承台转角通过安装电阻应变式倾角仪测试.墩顶横向载荷由500 kN拉、压力传感器测试.在桩的受力主筋上沿桩长贴有应变片,以测定桩在加载时的应变,所有数据均由DH 3817动态应变采集仪采集.
1.3模型试验结果
力加载到±40 kN时,地基土未产生裂缝,说明此时土体仍处于弹性状态;力加载到±50 kN时,地基土产生第1条微裂缝;改用位移加载到±6.0 mm时,土体继续产生微裂缝;加载位移到±10.0 mm,土体产生较明显裂缝.当土体破坏后,继续位移加载进入大位移状态后,当墩顶位移达到20 mm时,桥墩墩底开裂.在水平载荷循环往复作用下,桩周土体产生裂缝,裂缝最宽达8 mm,裂缝长度最长约为90 cm.
在各个加载工况下,可以得到墩顶水平力与位移的关系曲线,限于篇幅,仅给出几个典型滞回曲线,见图2～4.图中1表示第1次循环加载;2表示第2次循环加载;3表示第3次循环加载.将墩顶处各滞回曲线上每次加载的最大值(卸载点)连接起来即得到骨架曲线,见图5.
图 2±10 mm墩顶力—位移滞回环
图 3±23 mm墩顶力—位移滞回环
图 4±29 mm墩顶力—位移滞回环图 5位移加载墩顶力—位移滞回骨架曲线
从以上各图可以得出,桩基桥墩在墩顶水平反复载荷作用下,载荷—位移关系具有稳定的滞回环,且具有刚度退化的特性.桩基桥墩的骨架曲线有如下特点:当水平力载荷较小时,桩及地基土均处于弹性;随着载荷的加大,桩周土体逐渐失效,整个结构的侧向刚度逐渐降低.可以把骨架曲线分为2条线段组成:弹性阶段的直线段和桩周土体屈服的曲线段.根据各个加载工况滞回环计算的等效黏滞阻尼因数见表1.
表 1等效黏滞阻尼因数力/kN203040506083he0.188 90.234 50.239 70.247 30.144 50.128 6
从表中可以看出,等效黏滞阻尼系数随墩顶的水平力增大首先增大;土体内出现微裂缝后开始减小.桩—土—结构在低周反复载荷作用下,桩周土体逐渐进入塑性状态,载荷继续往复作用,桩周土体周围开始出现裂缝,并且裂缝随载荷的增大而开展和延伸.桩周土体在反复的挤压作用下,其横向承载力有增大的趋势.
2数值计算
本文进行静力非线性分析,所以将上部结构和桩基础作为整体模型考虑,而将地基土弹簧作为非线性边界支撑.图6为静力非线性计算模型.
图 6桥墩—桩基础的静力非线性分析模型
图中:kv为设计竖向地基反力系数,kN/m3;ksv为设计剪切地基反力系数,kN/m3;kh为设计水平地基反力系数,kN/m3;Khf为承台侧面的设计水平地基弹簧系数,kN/m3;D为桩径,m;U为桩周长,m;AV为桩端面积,m2.
2.1地基土弹簧的取值
假定地基土弹簧为双线性模型,见图7.图中,①为竖向地基反力;②为压入;③为拔出;④为桩底尖位;⑤为水平地基反力;⑥为水平地基反力上限值,等于有效抵抗土压力;⑦为水平变位.Kv为桩底设计竖向弹簧系数,kN/m;Ksv为桩周设计剪切弹性系数,kN/m;Kh为设计水平弹性系数,kN/m;RP为单桩标准桩尖支承力,kN/m;ri为各土层最大桩侧摩阻力,kN/m;li为各土层厚度,m;Pe为有效抵抗土压力,kN/m;U为桩周长,m.
(a)桩尖竖向地基
反力特性(b)桩侧竖向地基
反力特性(c)水平地基
反力特性图 7地基土弹簧双线性特性曲线
由于我国相关规范不考虑地基土的非线性,所以土弹簧的取值参照日本相关规范[5-7],由于篇幅所限,只给出最后的取值,见表2～4.
表 2桩侧水平弹性系数Kh桩身
坐标/m水平地基
反力系数
kh/
(kN•m-3)ΔL/
m设计水平
弹性系数
Kh/
(kN•m-1)有效土
压力/
kN屈服
位移/
m061 094.030.11 527.353.920.002 60.161 094.030.11 527.354.760.003 10.261 094.030.11 527.355.620.003 70.361 094.030.11 527.356.500.004 30.461 094.030.11 527.357.410.004 80.561 094.030.11 527.358.330.005 50.661 094.030.11 527.359.260.006 10.761 094.030.11 527.3510.220.006 70.861 094.030.11 527.3511.200.007 30.9～1.661 094.030.11 527.3511.760.007 7表 3桩侧竖向剪切弹性系数Ksv桩身
位移/m0.25169 705.638 326.184500.002 6522.2数值计算模型
地基土的非线性主要通过上文各种弹簧模拟,桩尖的竖向地基反力的初期斜率为桩尖的设计竖直弹簧刚度系数,达到标准桩尖支撑力即上限值后转为塑性.但在桩尖拉拔时,不考虑桩尖的地基反力.桩侧竖向地基反力的初期斜率为桩侧面的设计剪力弹簧系数,该系数达到计算范围的最大桩周摩阻力上限值后转为塑性.桩的水平地基反力将设计水平地基弹簧系数作为初期斜率,该系数达到计算范围内有效土抗力的上限值后转为塑性.
采用ANSYS程序建模计算.由于模型桩为弹性,所以桩和桥墩采用BEAM3单元;侧向、水平和桩底弹簧采用COMBIN39 单元.分析结果表明,土体弹簧单元最先达到屈服,屈服范围从桩顶向下逐步延伸.
2.3计算结果
模型加载试验的屈服载荷约为60 kN,数值计算分析的屈服载荷为70 kN,是试验结果的1.17倍;模型试验的破坏载荷约为164 kN,数值计算分析的破坏载荷约为171 kN,是试验结果的1.04倍.图8为模型试验墩顶水平力与位移曲线和数值计算分析曲线的比较图.从以上结果可以看出,模型试验结果与数值计算分析结果比较接近.
图 8模型试验曲线与分析曲线
3结论
通过在室内建立1∶5的模型桥墩进行拟静力试验,可得出以下结论:
(1)得到墩顶水平载荷—位移关系的滞回曲线和骨架曲线.实测结果表明,黄土地基上的桩基桥墩在墩顶水平反复载荷作用下,载荷—位移关系具有稳定的滞回环,且具有刚度退化的特性.
(2)按照本文的建模原则和计算方法,得到的骨架曲线与试验结果吻合较好,表明采用土体弹簧和梁单元模拟土体和桩是可行的,为以后考虑土—结构相互作用时的桥梁抗震分析提供参考依据.
致谢:感谢兰州交通大学陈兴冲教授和丁明波博士的指导.
参考文献:
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(编辑廖粤新)