韓振峰,　葉愛(ài)君

(1.合肥學(xué)院 建筑工程系,安徽 合肥　230601; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上?！?00092)

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橋梁高樁承臺(tái)基礎(chǔ)抗震性能研究

韓振峰1,葉愛(ài)君2

(1.合肥學(xué)院 建筑工程系,安徽 合肥230601; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

摘要:文章通過(guò)3個(gè)鋼筋混凝土群樁試件在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能試驗(yàn)研究,討論了群樁基礎(chǔ)破壞形態(tài)及滯回特征,解釋了其破壞機(jī)理,分析了土體參數(shù)、密實(shí)度及樁身自由段長(zhǎng)度等對(duì)其延性的影響。結(jié)果表明,極限狀態(tài)時(shí),群樁結(jié)構(gòu)受力模式會(huì)由地基梁模型轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶壑Ｐ?減小自由長(zhǎng)度和提高土體含水率都會(huì)增加其抗震性能。在OpenSees有限元框架中建立了群樁基礎(chǔ)有限元模型,使用彈塑性纖維梁柱單元模擬樁體,采用非線性p-y單元模擬樁土相互作用;對(duì)模型進(jìn)行了單調(diào)Pushover分析,并且對(duì)分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明該模型能很好地模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞:橋梁工程;高樁承臺(tái);群樁基礎(chǔ);抗震性能;擬靜力試驗(yàn)

橋梁高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的抗震性能評(píng)價(jià)是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題。目前多數(shù)研究?jī)H局限于理論分析和數(shù)值模擬,而且不同的理論和模擬方法有不同的假設(shè)和前提,使得各種方法給出的結(jié)果不盡相同,甚至差別很大。這些假設(shè)是否合理、模擬方法是否正確,都需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

研究樁基和土體材料進(jìn)入塑性范圍后的群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗震性能,最好的試驗(yàn)手段是大比例尺擬靜力試驗(yàn),迄今這方面的研究成果較少。文獻(xiàn)[1]對(duì)美國(guó)加州常用的鋼筋混凝土樁柱式基礎(chǔ)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)以研究其彎曲強(qiáng)度和延性能力。試驗(yàn)觀察到所有試件均表現(xiàn)出彎曲延性反應(yīng)行為;試件水平承載能力對(duì)砂土密實(shí)度不敏感,主要取決于樁身的彎曲強(qiáng)度;最大彎矩所在深度即塑性鉸位置與自由長(zhǎng)度和砂土密實(shí)度均有關(guān)。文獻(xiàn)[2]對(duì)大直徑灌注樁基進(jìn)行了抗震性能原型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)通過(guò)錨固于墩柱頂?shù)男崩鲗?shí)現(xiàn)循環(huán)加載,軸壓通過(guò)拉索的豎向分力施加,結(jié)果表明試驗(yàn)中的大直徑灌注樁基表現(xiàn)出很好的延性性能。上述2個(gè)試驗(yàn)都是針對(duì)單個(gè)基樁而言的。文獻(xiàn)[3]采用擬靜力試驗(yàn)對(duì)一埋置于黃土地基中的低樁承臺(tái)基礎(chǔ)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究,通過(guò)在墩頂施加水平往復(fù)荷載,獲得了樁、土及橋墩整體結(jié)構(gòu)的滯回曲線,得到了結(jié)構(gòu)的抗震性能,但其研究對(duì)象是低樁承臺(tái)基礎(chǔ)。

為研究橋梁高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的抗震性能,本文通過(guò)3個(gè)鋼筋混凝土群樁試件在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能試驗(yàn)研究,討論其破壞形態(tài)及滯回特征,探尋群樁基礎(chǔ)的破壞機(jī)理,分析土體參數(shù)、密實(shí)度及樁身自由段長(zhǎng)度等對(duì)基礎(chǔ)延性的影響。在OpenSees有限元框架中建立了群樁基礎(chǔ)有限元模型,使用彈塑性纖維梁柱單元模擬樁體,采用非線性p-y單元模擬樁土相互作用。對(duì)模型進(jìn)行單調(diào)Pushover分析,并且對(duì)分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。最后,對(duì)同類型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)給出了研究方法建議。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試件設(shè)計(jì)

群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為2根×2根,單樁截面為15 cm×15 cm正方形,樁中心間距為3D(樁徑D=15 cm);承臺(tái)平面為100 cm×100 cm,承臺(tái)厚度為40 cm。試驗(yàn)使用了3個(gè)試件,它們的樁尖長(zhǎng)度均為20 cm,試件1和試件3的樁身長(zhǎng)度為450 cm,自由長(zhǎng)度為80 cm;試件2的樁身長(zhǎng)度為400 cm,自由長(zhǎng)度為30 cm。

圖1　樁身鋼筋設(shè)計(jì)圖

1.2土箱設(shè)計(jì)

土箱尺寸設(shè)計(jì):平面3.0 m×1.5 m,高度4.0 m,土箱的四邊由焊接熱軋等邊角鋼制成支撐框架,其內(nèi)采用木板(厚3 cm)作為箱體側(cè)壁,箱體底部為開口,直接放置在混凝土底座(厚20 cm) 上;在與加載方向垂直的方向上,箱體內(nèi)壁面襯厚10 cm的聚苯乙烯泡沫塑料板;在沿加載方向上,箱體內(nèi)壁面粘貼光滑的聚氯乙烯薄膜。土箱實(shí)物如圖2所示。

圖2　土箱實(shí)物

土箱支撐框架采用等邊角鋼制作,角鋼之間以角焊連接,框架通過(guò)底部角鋼上的預(yù)留錨栓固定在土箱基礎(chǔ)底座上;土箱基礎(chǔ)底座為C30混凝土、20 cm厚;土箱基礎(chǔ)底座與試驗(yàn)室地面之間通過(guò)地錨進(jìn)行固定。試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),土箱邊緣附近的土體基本沒(méi)有被擾動(dòng),因此土箱平面尺寸是合理的。對(duì)于土箱的高度,設(shè)計(jì)為4 m,樁體埋入土體深度為3.7 m,埋深與樁徑比為25,樁體的第1個(gè)反彎點(diǎn)位于土體中部,符合設(shè)計(jì)要求。

1.3試驗(yàn)材料特性

C40混凝土材料的立方體抗壓強(qiáng)度為51.41 MPa,彈性模量為28.4 GPa;對(duì)3次試驗(yàn)使用的砂土進(jìn)行了土性試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1　土體材料試驗(yàn)參數(shù)

1.4試驗(yàn)方法與試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。豎向加載利用鐵塊(重量22.15 kN)壓在承臺(tái)頂面,鐵塊置于固定在承臺(tái)頂面的鐵箱內(nèi);水平加載利用液壓加載器進(jìn)行低周往復(fù)加載,加載千斤頂通過(guò)預(yù)留在承臺(tái)側(cè)面的4根M42錨栓進(jìn)行加載,試驗(yàn)加載裝置如圖3所示(單位為cm)。因?yàn)闆](méi)有使用反力梁,所以沒(méi)有采用球鉸裝置。

1.土體　2.樁體　3.土箱　4.承臺(tái)　5. 豎向壓重

循環(huán)加載采用混合變幅和等幅位移控制,每個(gè)量級(jí)循環(huán)加載3次,試驗(yàn)采用2個(gè)工況,試件1采用工況1, 試件2和試件3采用工況2。工況1和工況2加載幅值序列如圖4所示。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采集的數(shù)據(jù)主要有承臺(tái)中心的荷載-位移曲線和鋼筋應(yīng)變計(jì)的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)點(diǎn)有:承臺(tái)加載位置布置拉線式位移傳感器;樁身地面下1.5 m范圍內(nèi)縱向鋼筋每隔50 cm布置應(yīng)變片1個(gè),并且樁尖處縱向鋼筋布置應(yīng)變片1個(gè)。另外,在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,利用刻度放大鏡觀察裂縫的發(fā)展情況。

圖4　試驗(yàn)加載工況

2主要試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1破壞過(guò)程及破壞形態(tài)

3個(gè)試件均以彎曲破壞為主,裂縫主要出現(xiàn)在承臺(tái)與樁身的交接處以及樁身中部區(qū)域。群樁屈服時(shí)的樁土狀況如圖5a和圖5b所示,群樁卸載時(shí)的樁土狀況如圖5c和圖5d所示。

圖5　模型破壞狀況

試件1的破壞現(xiàn)象:位移幅值達(dá)到35 mm前樁土基本沒(méi)有發(fā)生變化,只有承臺(tái)下方15 cm左右出現(xiàn)1條細(xì)裂縫;位移幅值達(dá)80 mm時(shí)樁土之間出現(xiàn)脫離,土面下最大脫空長(zhǎng)80 cm、寬20 cm;位移幅值達(dá)110 mm時(shí)樁土之間出現(xiàn)塌陷,樁頭出現(xiàn)1條0.2 mm的裂縫;位移幅值達(dá)140 mm時(shí),加載至峰值,構(gòu)件與土體的損傷進(jìn)一步加大;隨后位移幅值增大至180 mm,卸載至峰值的70%,終止試驗(yàn)。試件2與試件3的情況與試件1基本類似。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列(取推拉方向的平均值),擬靜力試驗(yàn)時(shí),荷載數(shù)據(jù)采集的是水平加載力,位移數(shù)據(jù)是承臺(tái)中心位置處的水平位移。

表2　主要試驗(yàn)結(jié)果

試件1～試件3的荷載-位移滯回曲線如圖6所示,相應(yīng)的骨架曲線如圖7示。

圖6　滯回曲線

圖7　骨架曲線

2.3滯回曲線及骨架曲線分析

試件1的骨架曲線下降段不明顯(土體含水率較大,樁在土體內(nèi)發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng)造成),試件2與試件3的骨架曲線出現(xiàn)了明顯的下降段。

3條骨架曲線的初始切線剛度近似相同,在進(jìn)入非彈性變形階段,3條曲線才發(fā)生分離,屈服后剛度不相同。群樁結(jié)構(gòu)的初始剛度對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的小范圍變化不是很敏感。

相同自由長(zhǎng)度情況下,含水率越小,屈服后剛度越大;相同含水率情況下,自由長(zhǎng)度越小,屈服后剛度越大。試驗(yàn)表明,在相同軸壓比下,自由長(zhǎng)度和土體含水率對(duì)構(gòu)件的變形能力(剛度)有一定的影響。

試件2的自由長(zhǎng)度最短,含水率最低,但其滯回曲線最飽滿,累積滯回耗能也最大。此結(jié)果表明,在相同軸壓比下,高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的耗能能力受自由長(zhǎng)度和土體含水率的影響很大,可以預(yù)見(jiàn)低樁承臺(tái)基礎(chǔ)的耗能能力要高于高樁承臺(tái)基礎(chǔ),橋梁高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)對(duì)抗震來(lái)說(shuō)是不利的。試驗(yàn)的滯回曲線,3個(gè)試件正向(拉)加載卸載為0時(shí)的殘余變形遠(yuǎn)小于反向(推)加載卸載為0的殘余變形,產(chǎn)生差異的原因與水平荷載施加前構(gòu)件的初始狀態(tài)有關(guān)(加載器的位置),并且與構(gòu)件的施工質(zhì)量以及土體的密實(shí)度都有關(guān)。殘余變形的偏差為相對(duì)值,不影響對(duì)試驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)。

2.4試件的延性

延性是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo),延性越大,結(jié)構(gòu)的抗震能力就越強(qiáng)[4-6]。群樁結(jié)構(gòu)的整體延性可以用位移延性來(lái)表征,位移延性系數(shù)μ=Δu/Δy,其中Δu為群樁結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的極限位移,Δy為群樁結(jié)構(gòu)的屈服位移。屈服位移指群樁結(jié)構(gòu)屈服時(shí)的承臺(tái)中心水平位移,用等能量法在骨架曲線上通過(guò)幾何作圖得到;極限位移定義為水平加載力下降至峰值的85%時(shí)的承臺(tái)中心水平位移(試件1由于土體含水率較大,水平力下降得很慢,取試驗(yàn)終止時(shí)的位移作為極限位移)。從表2中可知:

(1) 自由長(zhǎng)度的較小變化對(duì)整體位移延性影響不顯著,含水率的增大會(huì)導(dǎo)致位移延性的增大。

(2) 各試件的位移延性系數(shù)均不超過(guò)3.0,表明試件基礎(chǔ)的抗震能力不是很強(qiáng)。橋梁高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的位移延性由自由段樁體和非自由段樁土2部分組成,自由段樁體(即混凝土)的位移延性被非自由段樁土之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)削弱了,從而導(dǎo)致總體延性與混凝土結(jié)構(gòu)相比偏小。

2.5破壞機(jī)理

通過(guò)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)擬靜力試驗(yàn)的現(xiàn)象觀察和數(shù)據(jù)分析以及綜合文獻(xiàn)[7-9],對(duì)試驗(yàn)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的破壞機(jī)理給予假設(shè)性的解釋。樁基受到側(cè)向荷載作用后,一側(cè)土體受壓,另一側(cè)土體與樁體產(chǎn)生脫離;隨著樁體側(cè)移的增大,樁側(cè)土體坍塌,樁體混凝土參與工作;當(dāng)樁體側(cè)移繼續(xù)增大時(shí),樁體混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服,樁體中下部形成了塑性鉸,結(jié)構(gòu)繞塑性鉸旋轉(zhuǎn),群樁受力模式發(fā)生改變,由地基梁模型轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶壑Ｐ?最后樁體側(cè)移再繼續(xù)增大,結(jié)構(gòu)在懸臂柱狀態(tài)下發(fā)生破壞。

3OpenSees有限元模擬分析

3.1OpenSees有限元建模過(guò)程

在OpenSees有限元框架[10]中建立了群樁基礎(chǔ)的有限元模型,該模型主要由彈塑性纖維梁柱單元、p-y單元和剛臂單元3種單元構(gòu)成,三維模型示意如圖8所示,部分樁體單元沒(méi)有繪出。沖刷線位置以下樁體節(jié)點(diǎn)處設(shè)置非線性p-y單元,單元兩端的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)相同,一端連接樁身,另一端為固定。每根單樁樁底固結(jié),樁頂節(jié)點(diǎn)之間采用剛臂連接,剛臂用以模擬承臺(tái)。圖8中的A點(diǎn)為承臺(tái)形心,B點(diǎn)為承臺(tái)底部。承臺(tái)重量及上部結(jié)構(gòu)反力通過(guò)在B點(diǎn)施加集中力來(lái)模擬,水平荷載施加在A點(diǎn),加載沿x方向。

圖8　三維有限元模型

樁體單元采用彈塑性纖維梁柱單元,該單元是一種非線性分布塑性單元,單元沿軸向被離散成許多段,每一段的特性由中間橫截面來(lái)代表,而該橫截面又進(jìn)一步被離散成許多纖維。每一根纖維可以是混凝土的,也可以是鋼筋的。本文模型中,樁體單元長(zhǎng)度為0.2 m;對(duì)于核心約束混凝土,沿樁基周長(zhǎng)方向劃分為20個(gè)纖維,沿半徑方向劃分為8個(gè)纖維;對(duì)于保護(hù)層混凝土,沿樁基周長(zhǎng)方向同約束混凝土,沿半徑方向劃分為1個(gè)纖維;對(duì)于縱向鋼筋,每根鋼筋劃分為1個(gè)單元。

纖維截面的鋼筋材料采用的是Giuffr-Menegotto-Pinto鋼筋本構(gòu)公式[11];混凝土材料采用的是Kent-Park混凝土本構(gòu)公式[12],不考慮混凝土受拉;p-y單元參數(shù)結(jié)合土性參數(shù)和API規(guī)范[13]確定。非線性有限元方程的求解采用混合法,求解控制方法使用位移控制法,控制節(jié)點(diǎn)為圖8中的點(diǎn)A,求解迭代算法使用Newton Raphson方法[14-15]。

通過(guò)群樁基礎(chǔ)的有限元模擬分析,發(fā)現(xiàn)OpenSees模擬的單調(diào)荷載-位移曲線、開裂荷載和最大荷載等與試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好[16-17]。

3.2單調(diào)荷載-位移曲線的數(shù)值模擬

本次高樁承臺(tái)基礎(chǔ)試件只考慮了樁身自由長(zhǎng)度和土體含水率的變化,因此僅對(duì)自由長(zhǎng)度和含水率進(jìn)行參數(shù)分析。

不同自由長(zhǎng)度時(shí)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的單調(diào)荷載-位移曲線如圖9所示,可以看出,隨著自由長(zhǎng)度的增加,荷載-位移曲線的下降段越來(lái)越緩,水平承載力亦相應(yīng)降低,符合試驗(yàn)觀察結(jié)果。

不同含水率時(shí)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的單調(diào)荷載-位移曲線如圖10所示,可以看出,隨著含水率的減小,荷載-位移曲線的下降段越來(lái)越陡,水平承載力亦相應(yīng)增大,也符合試驗(yàn)觀察結(jié)果。

圖9　不同自由長(zhǎng)度時(shí)單調(diào)荷載-位移曲線

圖10　不同含水率時(shí)單調(diào)荷載-位移曲線

模擬結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)見(jiàn)表3所列,可以看出,自由長(zhǎng)度的小幅變化對(duì)位移延性影響不大,自由長(zhǎng)度的較大增長(zhǎng)會(huì)使位移延性減小;另外,含水率的增大會(huì)導(dǎo)致位移延性增大。這些都說(shuō)明,減小自由長(zhǎng)度和適量提高土體含水率都會(huì)增加群樁結(jié)構(gòu)的抗震性能。各模擬結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)均在3.0附近,表明由于非自由段樁土之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)的影響,群樁基礎(chǔ)的延性能力不如預(yù)計(jì)的能力強(qiáng)。

表3　模擬結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)

4結(jié)論

高樁承臺(tái)基礎(chǔ)在側(cè)向荷載作用下,破壞以彎曲破壞為主,裂縫主要出現(xiàn)在承臺(tái)與樁身的交接處以及樁身中部區(qū)域。極限狀態(tài)時(shí),其受力模式會(huì)由地基梁模型轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶壑Ｐ?。減小自由長(zhǎng)度和適量提高土體含水率都會(huì)增加群樁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

進(jìn)一步的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)試驗(yàn)應(yīng)該重點(diǎn)研究不同土體條件、不同樁型布置以及承臺(tái)受壓彎耦合作用情況下的抗震性能。另外,試驗(yàn)的數(shù)值模擬可以使用本文給出的有限元模型。

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(責(zé)任編輯張淑艷)

Study of earthquake-resistant performance of high pile cap foundation of bridge

HAN Zhen-feng1, YE Ai-jun2

(1.Dept. of Architectural Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China; 2.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract:Firstly, based on an experimental research on three reinforced concrete pile foundation specimens tested under low cyclic loads, the destroy pattern and hysteretic characteristic of pile group foundation were discussed, the destroy mechanism was explained, and the effect of soil parameters, compactness, and free length of the pile on the foundation ductility was analyzed. The results show that the mechanical pattern of the foundation may change from the foundation beam model to the cantilever column model at the ultimate state, and reducing free length of the pile and raising the moisture content of the soil can improve the earthquake-resistant performance of the foundation. Secondly, a finite element model of this foundation was built in the OpenSees framework. In the model, the fiber element was used to simulate the pile shaft, and the nonlinear p-y element was used to simulate the soil-pile interaction. Thirdly, the monotonic Pushover analysis was performed on the model, and the results were compared with the test results. The results show good coherence with the experimental data.

Key words:bridge engineering; high pile cap; pile group foundation; earthquake-resistant performance; quasi-static test

中圖分類號(hào):U442.55

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5060(2016)02-0199-07

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.011

作者簡(jiǎn)介：韓振峰(1976-),男,安徽巢湖人,博士, 合肥學(xué)院講師;葉愛(ài)君(1968-),女,浙江麗水人,博士, 同濟(jì)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50878147);安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(KJ2015A249)和合肥學(xué)院人才科研基金資助項(xiàng)目(15RC01)

收稿日期：2015-07-21；修回日期：2015-09-24