基礎(chǔ)剛度對(duì)框架墩地震響應(yīng)的影響

劉孟云

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

基礎(chǔ)剛度對(duì)框架墩地震響應(yīng)的影響

劉孟云

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

文章以京沈客專某跨線框架墩為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件Midas/civil建立框架墩的三維空間動(dòng)力分析模型，研究了基礎(chǔ)剛度對(duì)框架墩地震反應(yīng)的影響。對(duì)該框架墩在0.5倍基礎(chǔ)剛度、1倍基礎(chǔ)剛度、2倍基礎(chǔ)剛度、3倍基礎(chǔ)剛度條件下分別進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程反應(yīng)分析，分析基礎(chǔ)剛度的變化對(duì)框架墩地震反應(yīng)的影響并總結(jié)影響規(guī)律。結(jié)果表明：(1)框架墩的基礎(chǔ)剛度對(duì)其自振特性影響顯著，自振頻率隨著基礎(chǔ)剛度的增大而增大；(2)基礎(chǔ)剛度的變化對(duì)框架墩的地震響應(yīng)影響顯著，尤其是對(duì)框架墩墩柱的地震響應(yīng)影響更加明顯，其地震響應(yīng)隨著框架墩基礎(chǔ)剛度的增加而增加；(3)框架墩的地震響應(yīng)并不是隨著基礎(chǔ)剛度線性變化的，當(dāng)基礎(chǔ)剛度較小時(shí)框架墩的地震響應(yīng)變化更明顯。

框架墩； 基礎(chǔ)剛度； 時(shí)程反應(yīng)分析； 地震反應(yīng)

客運(yùn)專線鐵路速度快，曲線半徑大，常需小角度跨越既有公路、鐵路、管線等，因此具有布置靈活、施工工期短、經(jīng)濟(jì)性好、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的框架墩—梁結(jié)構(gòu)被廣泛采用，并成為客運(yùn)專線鐵路建設(shè)中的常用結(jié)構(gòu)形式。在實(shí)際工程中，框架墩剛橫梁與墩柱的連接一般采用剛接，一方面減小了剛橫梁所承受的彎矩，另一方面加強(qiáng)了框架墩的整體性，使其具有較好的抗震性能[2]。

由于框架墩自身的剛度較大且整體結(jié)構(gòu)為多次超靜定體系，框架墩對(duì)基礎(chǔ)的約束模擬非常敏感。在靜力計(jì)算中為了克服該影響，通常以計(jì)算的1倍基礎(chǔ)剛度控制橫梁的變形，2倍或3倍基礎(chǔ)剛度控制墩柱的配筋。在地震作用下其地震反應(yīng)較為復(fù)雜，對(duì)框架墩內(nèi)力影響非常敏感的基礎(chǔ)約束條件的模擬，同樣也會(huì)對(duì)其地震響應(yīng)產(chǎn)生影響[5]。

本文以京沈客運(yùn)專線的某框架墩為研究背景，分別在0.5倍基礎(chǔ)剛度、1倍基礎(chǔ)剛度、2倍基礎(chǔ)剛度及3倍基礎(chǔ)剛度4種工況下對(duì)該框架墩進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程反應(yīng)分析，分析對(duì)比框架墩基礎(chǔ)剛度的變化對(duì)其自振特性以及地震響應(yīng)的影響，并總結(jié)影響規(guī)律。

1 工程概況

京沈客運(yùn)專線某鐵路橋框架墩，跨越既有高壓輸油管道，框架墩橫向跨度17 m，橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。墩柱高10 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。框架墩上部支撐(32+32)m簡(jiǎn)支箱梁。框架墩立面布置如圖1所示。

圖1 框架墩立面布置圖(cm)

橫梁跨中梁高為3.0 m，支點(diǎn)處梁高為3.5 m，梁寬為3.5 m，支座位置處采用實(shí)心截面，支座左側(cè)9.15 m范圍內(nèi)為空心截面，頂?shù)装濉⒏拱搴穸染?.5 m，橫梁與墩柱交界處設(shè)置1.5 m×0.5 m倒角。墩柱采用等截面，縱向?qū)挾葹?.3 m，橫向?qū)挾葹?.0 m，柱周采用R=25 cm圓倒角。框架墩基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，其中左墩基礎(chǔ)采用5根樁徑為1.25 m的樁，右墩基礎(chǔ)采用6根樁徑為1.5 m的樁。框架墩與上部主梁設(shè)置鐵路橋梁球型支座TJQZ-8360，支座在框架墩橫梁上不對(duì)稱布置，支座位置分別距橫梁右端1.75 m、6.25 m。橫梁及橋墩截面尺寸如圖2和圖3所示。

圖2 橫梁截面(cm)

圖3 橋墩截面(cm)

2 動(dòng)力模型的建立及基礎(chǔ)剛度的計(jì)算

2.1 動(dòng)力分析模型的建立

采用MIDAS/Civil建立框架墩的三維空間有限元模型，其中橫梁、橋墩、承臺(tái)均采用空間梁?jiǎn)卧M。框架墩上部支撐的主梁自重及二期恒載采用質(zhì)量單元模擬，單支座自重反力為2 055 kN，二期恒載按160 kN/m計(jì)算，并將上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量集中在對(duì)應(yīng)的橫梁節(jié)點(diǎn)上。樁—土相互作用效應(yīng)通過(guò)“六彈簧法”進(jìn)行模擬，在承臺(tái)底施加線性的節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬地基土的抗力作用。建立的動(dòng)力有限元模型如圖4所示。

圖4 框架墩動(dòng)力有限元模型

2.2 基礎(chǔ)剛度的計(jì)算

在采用“六彈簧法”模擬框架墩基礎(chǔ)時(shí)，首先計(jì)算在承臺(tái)底部中心分別施加單位水平力及彎矩時(shí)承臺(tái)底的變形，進(jìn)而計(jì)算集中彈簧的各方向剛度[6]。本文為了分析基礎(chǔ)剛度對(duì)框架墩地震反應(yīng)的影響，選取0.5倍的基礎(chǔ)剛度、1倍的基礎(chǔ)剛度、2倍的基礎(chǔ)剛度及3倍的基礎(chǔ)剛度共4種工況，對(duì)框架墩進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程反應(yīng)分析。各工況下的基礎(chǔ)剛度如表1所示。

表1 各工況下的基礎(chǔ)剛度

3 基礎(chǔ)剛度對(duì)框架墩自振特性的影響

分別計(jì)算0.5倍基礎(chǔ)剛度、1倍基礎(chǔ)剛度、2倍基礎(chǔ)剛度及3倍基礎(chǔ)剛度4種工況下框架墩的自振特性，分析基礎(chǔ)剛度對(duì)框架墩自振特性的影響。各工況下框架墩的自振頻率對(duì)比如表2所示。

表2 各工況下框架墩自振頻率對(duì)比

由表2的結(jié)果可以看出：

(1)由于框架墩橫梁與墩柱剛性連接且墩高較低，框架墩的整體剛度較大，在1倍基礎(chǔ)剛度下，其基頻約為1.3～2.0 Hz。

(2)基礎(chǔ)剛度對(duì)框架墩的自振特性影響顯著，其自振頻率隨著基礎(chǔ)剛度的增大而增大。

(3)前四階自振頻率與后四階相比，框架墩的基礎(chǔ)剛度對(duì)其基頻的影響較高階頻率更加敏感。

4 基礎(chǔ)剛度對(duì)框架墩地震反應(yīng)的影響

本場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g(地震基本烈度為6度)，反應(yīng)譜特征周期分區(qū)為一區(qū)，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。本文選取橋址場(chǎng)地類別相近的地震波—Taft波作為地震激勵(lì)。其所選的地震波加速度時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 Taft波加速度時(shí)程曲線

在輸入地震波時(shí)，根據(jù)規(guī)范要求的多遇地震加速度值對(duì)所選地震波的加速度峰值做了調(diào)整，調(diào)整后的加速度峰值為0.05 g，以確保彈性時(shí)程分析的合理性。由于是彈性最大地震反應(yīng)分析，可以將持續(xù)時(shí)間取短些，現(xiàn)取時(shí)間為30 s。

將所選的地震波—Taft波沿縱橋向輸入，分別在0.5倍基礎(chǔ)剛度、1倍基礎(chǔ)剛度、2倍基礎(chǔ)剛度及3倍基礎(chǔ)剛度4種工況下對(duì)該框架墩進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程反應(yīng)分析，整理時(shí)程分析結(jié)果。以1倍基礎(chǔ)剛度下框架墩右墩墩底彎矩的時(shí)程分析結(jié)果為基準(zhǔn)，分別與0.5倍基礎(chǔ)剛度、2倍基礎(chǔ)剛度、3倍基礎(chǔ)剛度的時(shí)程結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 1倍、0.5倍基礎(chǔ)剛度下墩底彎矩時(shí)程曲線對(duì)比

圖7 1倍、2倍基礎(chǔ)剛度下墩底彎矩時(shí)程曲線對(duì)比

圖8 1倍、3倍基礎(chǔ)剛度下墩底彎矩時(shí)程曲線對(duì)比

由圖6～圖8可以看出，與1倍基礎(chǔ)剛度相比較，當(dāng)框架墩的基礎(chǔ)剛度降低時(shí)，墩底彎矩隨之減小，當(dāng)框架墩的基礎(chǔ)剛度增加時(shí)，墩底彎矩隨之增大。

為了具體分析總結(jié)基礎(chǔ)剛度的變化對(duì)框架墩地震響應(yīng)的影響規(guī)律，對(duì)以上4種工況下框架墩關(guān)鍵截面的地震響應(yīng)進(jìn)行匯總分析。框架墩橫梁跨中、墩柱墩頂、墩底剪力和彎矩響應(yīng)匯總對(duì)比如表3和表4所示。

表3 多遇地震作用下各工況關(guān)鍵截面內(nèi)力匯總

表4 多遇地震作用下各工況關(guān)鍵截面內(nèi)力對(duì)比

通過(guò)表3、表4的計(jì)算結(jié)果可以看出：

(1)基礎(chǔ)剛度的變化對(duì)框架墩地震響應(yīng)影響顯著，尤其是對(duì)框架墩墩柱的地震響應(yīng)影響更加明顯。

(2)與基礎(chǔ)剛度增加相比較，當(dāng)基礎(chǔ)剛度減小時(shí)框架墩的地震響應(yīng)變化更明顯。基礎(chǔ)剛度減小0.5倍，框架墩的地震響應(yīng)減小達(dá)到35%～40%。

(3)2倍的基礎(chǔ)剛度與3倍的基礎(chǔ)剛度相比，2倍的基礎(chǔ)剛度時(shí)地震響應(yīng)增加更多，說(shuō)明框架墩的地震響應(yīng)并不是隨著基礎(chǔ)剛度線性變化的。

(4)同一基礎(chǔ)剛度條件下，該框架墩左墩柱與右墩柱地震響應(yīng)的變化是不對(duì)稱的，這是由于上部主梁的支點(diǎn)位置不對(duì)稱造成的。

將所選的地震波—Taft波沿橫橋向輸入，分別在0.5倍基礎(chǔ)剛度、1倍基礎(chǔ)剛度、2倍基礎(chǔ)剛度及3倍基礎(chǔ)剛度4種工況下對(duì)該框架墩進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程反應(yīng)分析，得出的結(jié)論與縱橋向輸入地震波的結(jié)論一致。

5 結(jié)論

通過(guò)在框架墩不同基礎(chǔ)剛度的條件下對(duì)其進(jìn)行多遇地震縱橫向作用下的彈性時(shí)程反應(yīng)分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)框架墩的基礎(chǔ)剛度對(duì)其自振特性影響顯著，自振頻率隨著基礎(chǔ)剛度的增大而增大，與高階頻率相比，基礎(chǔ)剛度對(duì)其低階頻率的影響更顯著。

(2)基礎(chǔ)剛度的變化對(duì)框架墩的地震響應(yīng)影響顯著，尤其是對(duì)框架墩墩柱的地震響應(yīng)影響更加明顯，其地震響應(yīng)隨著框架墩基礎(chǔ)剛度的增加而增加。

(3)框架墩的地震響應(yīng)并不是隨著基礎(chǔ)剛度線性變化的，當(dāng)基礎(chǔ)剛度較小時(shí)框架墩的地震響應(yīng)變化更明顯。

(4)同一基礎(chǔ)剛度條件下，該框架墩左墩柱與右墩柱地震響應(yīng)的變化是不對(duì)稱的，

這是由于上部主梁的支點(diǎn)位置不對(duì)稱造成的，在對(duì)框架墩進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮橫梁、墩柱以及基礎(chǔ)的剛度對(duì)框架墩整體抗震性能的影響。

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Effect of Foundation Stiffness on Seismic Response of Frame Pier

LIU Mengyun

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300140,China)

Taking a cross-line frame pier on Beijing-Shenyang passenger dedicated line as the research object, this paper established a spatial dynamic analysis model of frame pier with finite element software Midas/civil and analyzed the effect of foundation stiffness on seismic response of frame pier. Through elastic time history response analysis of the frame pier under earthquake action，which on the condition of 0.5 times of foundation stiffness, 1 time of foundation stiffness, 2 times of foundation stiffness and 3 times of foundation stiffness. The influence of the change of foundation stiffness on seismic response of frame pier is analyzed and the influence law is summarized. The results show: (1)The foundation stiffness of the frame pier has a significant impact on its free vibration characteristic，and the natural frequency increases with the increase of the foundation stiffness. (2)The change of foundation stiffness has a significant impact on the seismic response of frame pier, especially the seismic response of column of the frame pier, and the seismic response increases with the increase of the foundation stiffness of frame pier. (3)The seismic response of the frame pier is not linear changed with the foundation stiffness, and the seismic response of the pier is more obvious when the foundation stiffness is smaller.

frame pier; foundation stiffness; time-histories response analysis; seismic response

2016-05-23

劉孟云(1979-)，男，工程師。

1674—8247(2016)05—0016—04

U443.22

A