《考慮樁土相互作用的大跨結(jié)構(gòu)不一致運(yùn)動(dòng)分析》論文發(fā)表期刊：《公路工程》；發(fā)表周期：2020年05期

《考慮樁土相互作用的大跨結(jié)構(gòu)不一致運(yùn)動(dòng)分析》論文作者信息：[作者簡(jiǎn)介]熊 輝（1975一），男，湖南長(zhǎng)沙人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)抗震、基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)、樁-土相互作用等領(lǐng)域的研究。

　　[摘要]大跨度結(jié)構(gòu)抗震分析時(shí)通常忽略樁土相互作用的影響。首先推導(dǎo)出大跨度結(jié)構(gòu)在考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)的不一致運(yùn)動(dòng)時(shí)程分析方程。其次利用ANSYS軟件建立基礎(chǔ)固接與考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的兩種模型，其中樁-土相互作用利用根據(jù)相互作用因子推導(dǎo)出的土彈簧單元實(shí)現(xiàn)。然后對(duì)比兩種模型在地震荷載作用下的響應(yīng)。結(jié)果表明不同模型對(duì)不一致運(yùn)動(dòng)的敏感度是不同的，考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用和不一致輸入是符合客觀事實(shí)的。

　　[關(guān)鍵詞]大跨度結(jié)構(gòu)：樁土相互作用：動(dòng)力分析：不一致運(yùn)動(dòng)

　　[Abstract] The influence of pile-soil interaction was often neglected in seismic analysis of long-

　　span structures. The time history equation of long span structure is derived when the pile-soil-structureinteraction is considered. Two models of foundation consolidation and pile-soil-structure interaction are established by using ANSYS software, in which pilesoil interaction is realized by soil spring element derived from interaction factors. The responses of the two models under seismic loads were compared The results show that the sensitivity of different models to inconsistency is different, and it is consistent with the objective fact to consider the pile-soil-structure interaction and inconsistency input.

　　[ Key words] long-span structure; pile-soil interaction ; dynamic analysis; inconsistent motion

　　0引言

　　伴隨基建工程大力發(fā)展，越來(lái)越多的大跨度結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物矗立而起(影劇院、航空港候機(jī)大廳、體育館、跨河跨海大橋等)。這些大跨度結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物由于本身屬性的特殊和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性，研究其在震害中的安全性是十分重要的，尤其是作為地震避難所的大型體育館[、震后生命線的橋梁工程。過(guò)于簡(jiǎn)單的理想假設(shè)在設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)比較有效率，但是一旦發(fā)生影響安全的問(wèn)題，后果將不堪設(shè)想。我國(guó)在大跨度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路上，從傳統(tǒng)上的普通建筑物一致輸入到綜合考慮行波效應(yīng)、局部土地效應(yīng)、波的衰減效應(yīng)不一致輸入有很大的進(jìn)步;但在考慮大跨度結(jié)構(gòu)不一致運(yùn)動(dòng)時(shí)，將樁-土相互作用也考慮進(jìn)來(lái)的研究比較少。文獻(xiàn)[2]對(duì)大跨度橋梁和結(jié)構(gòu)采用多點(diǎn)地震計(jì)算模型時(shí)可能存在的誤差進(jìn)行分析，通過(guò)嚴(yán)格地理論推導(dǎo)說(shuō)明位移模型和加速度模型誤差來(lái)源和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基于基本動(dòng)力理論的時(shí)程分析方法進(jìn)行修正后，得到的結(jié)果與大質(zhì)量法或大剛度法計(jì)算精度相當(dāng)。文獻(xiàn)

　　[B]通過(guò)對(duì)跨度為110m的連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，比較不同地震分量和不同視波速結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，分析了行波效應(yīng)的影響：結(jié)果表明，在考慮多維地震激勵(lì)的情況下，地震響應(yīng)會(huì)增大。閆曉字回等以一高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)閷?duì)象，制作了1：10的模型，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，研究行波激勵(lì)和局部場(chǎng)地效應(yīng)等對(duì)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響：結(jié)果分析表明，在大跨度橋梁的精細(xì)抗震分析中必須考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)。這些研究主要側(cè)重于大跨度結(jié)構(gòu)在外部不一致激勵(lì)下的反應(yīng)分析，將樁土相互作用產(chǎn)生的影響也考慮得較少。本文將利用有限元軟件模擬大跨度橋梁在地震作用下的反應(yīng)，綜合考慮不一致輸入和樁土相互作用對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)抗震分析的影響，為大跨度結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

　　1不一致運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)

　　不一致運(yùn)動(dòng)是由于大跨度結(jié)構(gòu)支座之間間隔較遠(yuǎn)，在輸入外部激勵(lì)時(shí)必須考慮地震波到達(dá)不同支座的時(shí)間差(行波效應(yīng))和地震波在非均勻介質(zhì)中反射折射而導(dǎo)致的支座激勵(lì)之間的部分相干效應(yīng)，以及相隔較遠(yuǎn)支座處的場(chǎng)地土性質(zhì)不同而造成的局部效應(yīng)等因素而產(chǎn)生的。目前常用的不一致運(yùn)動(dòng)求解時(shí)程分析方法有直接求解法、位移輸入法、大質(zhì)量法、相對(duì)運(yùn)動(dòng)法，本文主要在大質(zhì)量法的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，引出考慮樁土相互作用下的大質(zhì)量法。

　　1.1基礎(chǔ)固接模式

　　在基礎(chǔ)支撐處附著一個(gè)大質(zhì)量點(diǎn)M(一般取結(jié)構(gòu)質(zhì)量的10"~10"倍)，并釋放大質(zhì)量運(yùn)動(dòng)方向的約束，施加強(qiáng)迫力P，，使大質(zhì)量點(diǎn)與地震運(yùn)動(dòng)一致。

　　1.2 考慮樁土相互作用模式(簡(jiǎn)稱SSI模式)

　　考慮樁土相互作用時(shí)，基礎(chǔ)處輸入將改變。

　　其中，4A}為相同地震力作用下，考慮樁土相互作用時(shí)支撐點(diǎn)輸入的作用系數(shù)。

　　同理，此時(shí)動(dòng)力平衡方程可寫為：

　　方程的解不再贅述，在考慮樁土相互作用時(shí)，不一致運(yùn)動(dòng)的求解主要區(qū)別為增加樁的阻抗求解。

　　2 樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用模型及參數(shù)確定如圖1所示，將土體視為具有等效質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)，土體-樁的作用效果用彈簧和阻尼器進(jìn)行模擬。在無(wú)限空間中模擬波的傳播，當(dāng)考慮波動(dòng)能量在土體中的逸散或者地基的材料阻尼時(shí)，往往需要設(shè)置穩(wěn)定的人工邊界或者是取到足夠大的邊界，在有限元?jiǎng)恿Ψ治鲋校�不僅會(huì)增加計(jì)算難度與工作量，也滿足不了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快速預(yù)估要求，本文將樁基以下視為基巖作固定處理，可忽略樁基以下區(qū)域，此時(shí)邊界效應(yīng)的影響將會(huì)減弱。故在進(jìn)行模型建立時(shí)對(duì)土體作如下簡(jiǎn)化：a.樁與土體緊密接觸，不考慮脫離效應(yīng)。

　　b.樁身內(nèi)土層分層，但樁尖下固接，視為插入基巖內(nèi)。

　　c.土的邊界視為固定邊界。

　　3算例

　　利用APDL進(jìn)行參數(shù)化建模，模型為86m×

　　142 m x86 m。該橋地處"V”型峽谷，抗震等級(jí)根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范為VI度設(shè)防，峽谷兩側(cè)山腰坡度600-800，橋墩位于半山坡，不同橋墩處的地質(zhì)條件有著較大差異。建立兩種有限元模型：①橋墩底部固接模型：②樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用模型

　　(SSI模型)。主梁和橋墩均采用Shell63單元進(jìn)行模擬，盆式支座采用Combin40進(jìn)行模擬，承臺(tái)為Solid185實(shí)體單元，樁為具有7個(gè)自由度，能考慮彎曲和拉伸的Beaml89梁?jiǎn)卧�，模型單元�(jiǎng)澐植捎弥悄茏詣?dòng)劃分。樁間土彈簧剛度由式(11)確定。

　　本文主要分析el-centro波0~15s作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，時(shí)間步長(zhǎng)取0.02s。該模型分析旨在考慮大跨度結(jié)構(gòu)的不一致輸入在樁土相互作用模式下的反應(yīng)變化，故在地震輸入時(shí)作了一定的簡(jiǎn)化，僅考慮對(duì)大跨度輸入影響程度較大的行波效應(yīng)9.1]，視地震波到達(dá)不同支座處的時(shí)間差為A(支座處間距/視波速)，忽略以下因素[：①地震波在不同土質(zhì)介質(zhì)中散射和反射引發(fā)的不相干效應(yīng)：②地震波傳播過(guò)程中的幅值衰減：③不同場(chǎng)址的地質(zhì)條件下地震波的振幅和頻率變化。為較明顯地觀察大跨度結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，取視波速為200 m/

　　s，進(jìn)行0.1g的調(diào)幅。

　　模型在采取不同模式下不同輸入時(shí)，關(guān)鍵控制點(diǎn)反應(yīng)的變化如圖4所示。

　　由圖4可知基礎(chǔ)固接模型中，結(jié)構(gòu)主跨跨中豎向位移幅值在一致輸入和不一致輸入時(shí)分別為42.96和62.08 mm;SSI模型中主跨跨中豎向位移幅值則分別為13.45和56.23 mm。固接模型在采用非一致輸入后，結(jié)構(gòu)主跨豎向位移有明顯增大，但是位移響應(yīng)變化周期無(wú)明顯改變，這與現(xiàn)有觀點(diǎn)也是相統(tǒng)一的。在考慮SsI效應(yīng)后，模型在主跨跨中豎向位移受不一致輸入的影響更為明顯，增幅為235.63%(遠(yuǎn)大于44.50%)。本文選用的結(jié)構(gòu)體型近似對(duì)稱布置，當(dāng)基礎(chǔ)采用固接假設(shè)時(shí)，結(jié)構(gòu)在受一致激勵(lì)下對(duì)稱部位的響應(yīng)也是趨于一致的。左右主墩墩頂位移時(shí)程曲線相似，幅值分別為13.86和14.8 mm。非一致激勵(lì)時(shí)，左右兩墩頂位移響應(yīng)有較大變化，左側(cè)主墩墩頂位移幅值為19.87 mm，而右側(cè)墩頂橫向位移幅值為29.07 mm，增加了46.28%。結(jié)構(gòu)考慮樁土相互作用時(shí)，盡管仍為一致輸入，左右兩側(cè)主墩墩頂橫向位移幅值卻不再保持一致，左側(cè)為6.95

　　mm，右側(cè)為10.25 mm。須值得注意的是，無(wú)論是固接體系或者SsI體系，主墩墩頂橫向位移幅值在不一致地震輸入時(shí)都有增大的趨勢(shì)。固接體系，左右兩側(cè)主墩墩頂橫向位移幅值考慮不一致輸入時(shí)分別增大43.43%和106.35%;SSI體系，左右兩側(cè)主墩頂橫向位移幅值分別增大56.92%和77.53%。

　　如圖5所示，基礎(chǔ)固接模型中，采用不一致激勵(lì)會(huì)明顯增大左墩墩頂橫向加速度幅值，由1.24

　　m/s32增至2.67 m/32，幅值114.75%。考慮樁-土相互作用時(shí)，在考慮不一致地震輸入時(shí)，由1.59

　　m/2增至4.31 m/s3，增幅為171.39%，且相位有明顯增加。兩種輸入情況下，考慮樁土相互作用的模型墩頂加速度是大于基礎(chǔ)剛接模型值的，說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用基礎(chǔ)剛接假設(shè)并不一定是安全的，需要具體分析。

　　不同模型在兩種輸入情況下的彎矩響應(yīng)變化也有所不同。如圖6所示，基礎(chǔ)固接模型中，彎矩響應(yīng)時(shí)程曲線的周期不隨輸入模式改變而變化，考慮樁土相互作用后，模型的彎矩響應(yīng)變化周期減小。基礎(chǔ)固接模型中，結(jié)構(gòu)墩底彎矩受不一致激勵(lì)后由一致激勵(lì)的6.90 kN.m增至11.50 kN-m，增幅為66.58%，墩頂彎矩則由32.61 kN.m增至40.06 kN-m，增幅22.83%;考慮樁土相互作用的模型中，不一致輸入對(duì)墩底彎矩幅值增加109.25%，對(duì)城頂部位，彎矩幅值卻較一致輸入增加85.17%。主墩彎矩在采用不一致激勵(lì)時(shí)，對(duì)樁土相互作用模型產(chǎn)生的影響明顯大于基礎(chǔ)剛接模型。一致地震輸入時(shí)，ss1模式下無(wú)論是墩底還是墩頂部位，彎矩幅值均小于固接模式，說(shuō)明樁-土相互作用吸收了一部分能量。

　　4結(jié)論

　　為分析地震荷載作用下，樁土相互作用對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)的影響，推導(dǎo)了基本計(jì)算公式，并建立了固接模式和SSI模式兩種模型，通過(guò)分析得到以下結(jié)

　　論：a.考慮樁土相互作用時(shí)，主跨豎向位移對(duì)不

　　一致輸入較固接模式更為敏感，在大跨度橋梁的地基條件不能視為固接時(shí)，考慮不一致運(yùn)動(dòng)是十分有

　　必要的。

　　b.兩種模型在不一致激勵(lì)時(shí)，左右墩頂位移

　　都是不一致的，大跨度結(jié)構(gòu)不能因體型對(duì)稱而簡(jiǎn)單

　　地作對(duì)稱設(shè)計(jì)。

　　c.不一致激勵(lì)時(shí)，主墩墩頂加速度在考慮樁

　　土相互作用后大幅度增加，考慮地震波不一致輸入

　　時(shí)采用固結(jié)模型有可能偏于危險(xiǎn)。

　　d.sSI模式下，主墩彎矩小于基礎(chǔ)剛接模式，考慮樁土相互作用對(duì)主墩的彎矩設(shè)計(jì)起到天然的減

　　震效果。

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