摘要:為研究樁基橋墩—地基系統的非線(xiàn)性性能,根據模型與原型的物理相似關(guān)系制作1∶5比例的樁基橋墩模型. 采用力—位移混合控制加載的擬靜力試驗方法,通過(guò)在墩頂施加水平單調增加載荷,得到墩頂水平載荷下樁基橋墩的載荷—位移滯回曲線(xiàn)、骨架曲線(xiàn)和滯回特性. 用非線(xiàn)性彈簧單元模擬土體、用梁?jiǎn)卧M樁和橋墩,建立模型橋墩的計算模型. 計算模型的骨架曲線(xiàn)與試驗模型的骨架曲線(xiàn)吻合較好,表明采用非線(xiàn)性彈簧單元和梁?jiǎn)卧謩e模擬土體和樁是可行的,可以為考慮土—結構相互作用時(shí)的橋梁抗震分析提供參考依據.
關(guān)鍵詞:樁基橋墩; 滯回特性; 水平單調載荷; 土—結構相互作用
中圖分類(lèi)號:U442.5;U443.15;U443.22文獻標志碼: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
基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“八六三”計劃)(2004AA505240; 2005AA505101-517)
作者簡(jiǎn)介: 董正方(1980—),男,河南滑縣人,博士研究生,研究方向為橋梁抗震、軌道交通抗震等,(E-mail)carmanhouse@sohu.com
0引言
目前,我國橋梁工程中大量使用樁基橋墩,特別是鐵路上廣泛使用少筋混凝土重力式橋墩,其墩身延性很差,對抗震不利.然而大量震害資料表明,這種少筋混凝土重力式橋墩有時(shí)卻能夠抵抗高烈度地震.顯然,這種橋墩僅僅依靠自身的延性無(wú)法抵抗高烈度地震,應該考慮地基的耗能作用.[1,2]因此,開(kāi)展樁基橋墩—地基系統非線(xiàn)性性能的研究十分必要.
重力式混凝土橋墩滯回特性研究的特點(diǎn)[3]在于,必須涉及到地基土的彈塑性性態(tài)以及基礎與地基之間的非線(xiàn)性問(wèn)題.由于地基土性質(zhì)的復雜性以及滯回特性分析中要考慮土的加載、卸載以及再加載的本構關(guān)系,使得理論分析十分復雜.利用模型試驗,可以了解橋墩基礎與地基相互作用時(shí)土本構關(guān)系的主要特點(diǎn),從宏觀(guān)上把握橋墩滯回特性的大致規律,為進(jìn)行理論分析作好準備.為此,本文通過(guò)模型試驗手段,研究樁基橋墩的滯回特性.
1模型試驗
1.1模型制作
選擇某實(shí)橋樁基橋墩作研究對象:橋墩基礎形式為高承臺樁基礎,圓端形橋墩.試驗模型取1∶5比例模型,為使模型試驗結果能盡量真實(shí)地反映原型結構的性狀,必須考慮原型與模型的物理相似性.基于Bockingham π定理,建立相似條件一般有2個(gè)途徑:(1)如果未知描述物理現象的基本方程,可通過(guò)量綱分析建立相似條件;(2)如果已知描述物理現象的基本方程,可根據基本方程建立相似條件.對于文中的模型試驗,由于未知描述物理現象的基本方程,因此通過(guò)量綱分析建立相似條件.[4]結構的地震反應問(wèn)題在線(xiàn)彈性范圍內可表述為如下函數關(guān)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為結構反應應力;l為結構構件尺寸;E為混凝土的彈性模量;υ為混凝土的泊松比;η為構件配筋率;c為地基土的內聚力;φ為地基土的內摩擦角;ρ為混凝土和地基土的容重;P為結構上受到的集中外力;δ為結構反應的位移.取l和P為基本量:[l]=L,[P]=p,那么,其余各量均可表示為L(cháng)和p的冪次單項式,進(jìn)而可得無(wú)量綱積πi,具體表示形式如下:
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
結構的所有線(xiàn)性尺寸具有同一個(gè)相似常數,即取Cl=5,同時(shí)又取Cσ=1,所以模型其他相似常數取值如下:
由π1得CE=1,即模型混凝土的彈性模量與原型相同;由π2得Cυ=1,即模型混凝土的泊松比與原型相同;由π3得Cη=1,即模型混凝土的配筋率與原型相同;由π4得Cc=1,即模型土的內聚力與原型相同;由π5得Cφ=1,即模型土的內摩擦角與原型相同;由π6得Cρ=1/5,即模型土或混凝土的容重為原型的5倍;由π7得CP=25,即模型上加的集中力為原型的1/25;由π8得Cδ=5,即模型上產(chǎn)生的位移為原型的1/5.為了模型制作的方便,同時(shí)又不違背素混凝土或少筋混凝土橋墩單一截面的破壞特點(diǎn),對橋墩的截面形式可做如下等效:原型橋墩的截面形式為圓端形,將其等效成矩形,等效原則是以墩底控制截面的橫橋向抗彎慣性矩相等;樁基長(cháng)度結合土工槽高度以及一定深度下樁基應力急劇減小的現象,取為1.8 m.具體尺寸見(jiàn)圖1.
圖 1模型橋墩構造,m
墩頂施加豎向恒定載荷模擬橋梁上部結構自重.施加的水平載荷單調增加,采用力—位移混合控制加載,先是力控制加載,然后改用位移控制加載.力控制加載歷程為:±10 kN,±20 kN,…,±60 kN.位移加載歷程為:±1.0 mm,±3.0 mm,…,±29.0 mm,每次加載反復3次.
1.2模型試驗數據采集
試驗主要采集的數據包括:墩頂位移、承臺位移、樁基應變、承臺轉角及墩頂橫向載荷.墩頂和承臺位移分別由量程為200 mm和100 mm的電阻應變式位移傳感器測試.承臺轉角通過(guò)安裝電阻應變式傾角儀測試.墩頂橫向載荷由500 kN拉、壓力傳感器測試.在樁的受力主筋上沿樁長(cháng)貼有應變片,以測定樁在加載時(shí)的應變,所有數據均由DH 3817動(dòng)態(tài)應變采集儀采集.
1.3模型試驗結果
力加載到±40 kN時(shí),地基土未產(chǎn)生裂縫,說(shuō)明此時(shí)土體仍處于彈性狀態(tài);力加載到±50 kN時(shí),地基土產(chǎn)生第1條微裂縫;改用位移加載到±6.0 mm時(shí),土體繼續產(chǎn)生微裂縫;加載位移到±10.0 mm,土體產(chǎn)生較明顯裂縫.當土體破壞后,繼續位移加載進(jìn)入大位移狀態(tài)后,當墩頂位移達到20 mm時(shí),橋墩墩底開(kāi)裂.在水平載荷循環(huán)往復作用下,樁周土體產(chǎn)生裂縫,裂縫最寬達8 mm,裂縫長(cháng)度最長(cháng)約為90 cm.
在各個(gè)加載工況下,可以得到墩頂水平力與位移的關(guān)系曲線(xiàn),限于篇幅,僅給出幾個(gè)典型滯回曲線(xiàn),見(jiàn)圖2～4.圖中1表示第1次循環(huán)加載;2表示第2次循環(huán)加載;3表示第3次循環(huán)加載.將墩頂處各滯回曲線(xiàn)上每次加載的最大值(卸載點(diǎn))連接起來(lái)即得到骨架曲線(xiàn),見(jiàn)圖5.
圖 2±10 mm墩頂力—位移滯回環(huán)
圖 3±23 mm墩頂力—位移滯回環(huán)
圖 4±29 mm墩頂力—位移滯回環(huán)圖 5位移加載墩頂力—位移滯回骨架曲線(xiàn)
從以上各圖可以得出,樁基橋墩在墩頂水平反復載荷作用下,載荷—位移關(guān)系具有穩定的滯回環(huán),且具有剛度退化的特性.樁基橋墩的骨架曲線(xiàn)有如下特點(diǎn):當水平力載荷較小時(shí),樁及地基土均處于彈性;隨著(zhù)載荷的加大,樁周土體逐漸失效,整個(gè)結構的側向剛度逐漸降低.可以把骨架曲線(xiàn)分為2條線(xiàn)段組成:彈性階段的直線(xiàn)段和樁周土體屈服的曲線(xiàn)段.根據各個(gè)加載工況滯回環(huán)計算的等效黏滯阻尼因數見(jiàn)表1.
表 1等效黏滯阻尼因數力/kN203040506083he0.188 90.234 50.239 70.247 30.144 50.128 6
從表中可以看出,等效黏滯阻尼系數隨墩頂的水平力增大首先增大;土體內出現微裂縫后開(kāi)始減小.樁—土—結構在低周反復載荷作用下,樁周土體逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài),載荷繼續往復作用,樁周土體周?chē)_(kāi)始出現裂縫,并且裂縫隨載荷的增大而開(kāi)展和延伸.樁周土體在反復的擠壓作用下,其橫向承載力有增大的趨勢.
2數值計算
本文進(jìn)行靜力非線(xiàn)性分析,所以將上部結構和樁基礎作為整體模型考慮,而將地基土彈簧作為非線(xiàn)性邊界支撐.圖6為靜力非線(xiàn)性計算模型.
圖 6橋墩—樁基礎的靜力非線(xiàn)性分析模型
圖中:kv為設計豎向地基反力系數,kN/m3;ksv為設計剪切地基反力系數,kN/m3;kh為設計水平地基反力系數,kN/m3;Khf為承臺側面的設計水平地基彈簧系數,kN/m3;D為樁徑,m;U為樁周長(cháng),m;AV為樁端面積,m2.
2.1地基土彈簧的取值
假定地基土彈簧為雙線(xiàn)性模型,見(jiàn)圖7.圖中,①為豎向地基反力;②為壓入;③為拔出;④為樁底尖位;⑤為水平地基反力;⑥為水平地基反力上限值,等于有效抵抗土壓力;⑦為水平變位.Kv為樁底設計豎向彈簧系數,kN/m;Ksv為樁周設計剪切彈性系數,kN/m;Kh為設計水平彈性系數,kN/m;RP為單樁標準樁尖支承力,kN/m;ri為各土層最大樁側摩阻力,kN/m;li為各土層厚度,m;Pe為有效抵抗土壓力,kN/m;U為樁周長(cháng),m.
(a)樁尖豎向地基
反力特性(b)樁側豎向地基
反力特性(c)水平地基
反力特性圖 7地基土彈簧雙線(xiàn)性特性曲線(xiàn)
由于我國相關(guān)規范不考慮地基土的非線(xiàn)性,所以土彈簧的取值參照日本相關(guān)規范[5-7],由于篇幅所限,只給出最后的取值,見(jiàn)表2～4.
表 2樁側水平彈性系數Kh樁身
坐標/m水平地基
反力系數
kh/
(kN•m-3)ΔL/
m設計水平
彈性系數
Kh/
(kN•m-1)有效土
壓力/
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樁側豎向剪切彈性系數Ksv樁身
位移/m0.25169 705.638 326.184500.002 6522.2數值計算模型
地基土的非線(xiàn)性主要通過(guò)上文各種彈簧模擬,樁尖的豎向地基反力的初期斜率為樁尖的設計豎直彈簧剛度系數,達到標準樁尖支撐力即上限值后轉為塑性.但在樁尖拉拔時(shí),不考慮樁尖的地基反力.樁側豎向地基反力的初期斜率為樁側面的設計剪力彈簧系數,該系數達到計算范圍的最大樁周摩阻力上限值后轉為塑性.樁的水平地基反力將設計水平地基彈簧系數作為初期斜率,該系數達到計算范圍內有效土抗力的上限值后轉為塑性.
采用ANSYS程序建模計算.由于模型樁為彈性,所以樁和橋墩采用BEAM3單元;側向、水平和樁底彈簧采用COMBIN39 單元.分析結果表明,土體彈簧單元最先達到屈服,屈服范圍從樁頂向下逐步延伸.
2.3計算結果
模型加載試驗的屈服載荷約為60 kN,數值計算分析的屈服載荷為70 kN,是試驗結果的1.17倍;模型試驗的破壞載荷約為164 kN,數值計算分析的破壞載荷約為171 kN,是試驗結果的1.04倍.圖8為模型試驗墩頂水平力與位移曲線(xiàn)和數值計算分析曲線(xiàn)的比較圖.從以上結果可以看出,模型試驗結果與數值計算分析結果比較接近.
圖 8模型試驗曲線(xiàn)與分析曲線(xiàn)
3結論
通過(guò)在室內建立1∶5的模型橋墩進(jìn)行擬靜力試驗,可得出以下結論:
(1)得到墩頂水平載荷—位移關(guān)系的滯回曲線(xiàn)和骨架曲線(xiàn).實(shí)測結果表明,黃土地基上的樁基橋墩在墩頂水平反復載荷作用下,載荷—位移關(guān)系具有穩定的滯回環(huán),且具有剛度退化的特性.
(2)按照本文的建模原則和計算方法,得到的骨架曲線(xiàn)與試驗結果吻合較好,表明采用土體彈簧和梁?jiǎn)卧M土體和樁是可行的,為以后考慮土—結構相互作用時(shí)的橋梁抗震分析提供參考依據.
致謝:感謝蘭州交通大學(xué)陳興沖教授和丁明波博士的指導.
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(編輯廖粵新)
