任艳 谢春明

摘  要：为了解地震动响应对深厚软土区大悬臂墩桥梁桩基的影响，本文采用有限元软件建立典型的桥梁大悬臂墩结构模型，考虑地震工况，对深厚软土区大悬臂墩结构的地震动响应进行了数值模拟。结果表明：对于大悬臂墩桩基础的地震响应，当考虑表层软土液化时，由于墩以上的桥面系质量较大，无论是否考虑软土液化时，均在桩基靠近地面处、软土底面处均出现弯矩峰值;考虑液化情况下，桩身剪力随深度变化规律与桩身弯矩规律类似，即当考虑表层软土液化时，墩底和桩顶交界面及软硬土层交界面处桩身弯矩和剪力均出现了明显的峰值;采用基岩输入地震波的时程分析法，可以得知当表层土液化时，桩基动力响应较小，并且表层土的峰值点下移，其惯性力导致墩柱+桩的桩身弯矩加大，所以出现双峰值情况。当不考虑土层液化时，地震动可以由土层由下往上传递，由于桥面系质量产生的桩身上部弯矩均较大，因此出现上部峰值大于软硬土层交界面处弯矩的情况。分析结果对深厚软土区桥梁桩基设计具有重要的理论意义和指导作用。

关键词：大悬臂墩;深厚软土区;地震;弯矩;剪力;数值模拟

中图分类号：U441.3    文献标识码：A       文章编号：2096-6903（2021）11-0000-00

0引言

大悬臂墩桩基础是我国桥梁广泛应用的一种基础形式，作为埋地构件，其损伤或破坏难于检测，且在震后修复代价高，因此各国抗震规范对桩基础的抗震性能要求很高，通常采用能力保护设计，使之保持在弹性状态。目前我国规范常用的抗震动力计算理论包括：反应谱法和时程分析法[1-2]，反应谱法不能反映地震波频率特性和强度带来的影响[3]，而时程分析法可以考虑结构的弹性和弹塑性性态，在反映地震动的频谱、振幅和持时，得到的是结构在地震过程中的反应以及震害发生的部位和形态，可详细了解结构在地震持续时间内的结构响应，所以时程分析法在复杂工程结构抗震分析和设计中得到了广泛的应用。我国幅员辽阔，正处在大规模建设和发展阶段，工程建设中会遇到各类地基土，特别是在中、东部沿海和沿江地区，存在大面积深厚软弱地基土，由于该类地基土性质软弱[4-6]，因此，有必要深入开展地震荷载下软硬互层地基中大悬臂墩桩基础地震动响应分析，对深厚软土区桥梁桩基设计有着重要的理论意义和指导作用。

由于反应谱法不能考虑地震加速度时程的影响，因此本文针对深厚软土区地质，以大悬臂墩为研究对象，分地震工况，从基岩输入实际地震动加速度时程曲线，得到桩身内力与位移包络图，在动力计算中考虑软土液化和不液化两种情况，对大悬臂墩桥梁桩基地震动响应进行了分析研究。

1工程背景

某30m跨小箱梁下部结构采用大悬臂墩，盖梁高度2.6m，盖梁宽度3.5m，倒T部分1.5m，悬臂13.6m，墩间距5m。桥墩尺寸160×240（H×Z），墩高考虑H=25m。桩基尺寸D180，横向间距5.4m，纵向间距5m，桩基长度按65m考虑。大悬臂墩结构图如图1所示。

2有限元模拟

2.1有限元模型

依据空间梁格-杆系理论，采用Midas/Civil软件进行计算分析，对结构模型进行加速度反应谱分析计算，振型组合采用CQC法。桥墩柱和桩基计算采用如图2所示的简化模型，将墩柱及上部结构的质量等效为一作用在墩顶的质量块，桩顶质量块体 ，不考虑刚性承台的旋转，桥墩及承台尺寸详图以及简化模型如图3所示。

采用土弹簧模拟桩土作用，土弹簧刚度按“m”法计算，m值根据地质条件选取，淤泥质土取5000kN/m4，粉砂取7500kN/m4，中砂质土取15000kN/m4，岩石地基抗力系数根据岩石单轴饱和抗压强度确定，不随岩层深度变化，抗震计算时，土的土弹簧刚度取m动=2.5m静。

计算中的地层参数如表1所示。

2.2地震激励工况

地震激励从基岩入射，入射波为人工波，由地面人工波反算得到。地面人工波取自《地震安评报告》，按《规范》规定，对应于50年超越概率为10%的地震激励，计算时长取80秒。

3数值模拟结果分析

以下将从是否考虑软土液化，分别展示桩基地震动计算的时程分析结果。

（1）不考虑软土液化时的下部结构弯矩和剪力包略图如下：

不考虑软土液化时大悬臂墩橋梁横桥向桩身弯矩和剪力包络图如图4和图5所示，可以看出桥墩底部弯矩的和桩基顶部弯矩之和不等，这是因为在计算的过程中将承台简化为无转角的刚性结构，类似于抗弯刚度无穷大的门式钢架。在地震作用下桩身会产生轴力，由轴力产生的弯矩同桩顶与墩底的弯矩差平衡。对于纵桥向而言，如图6和图7所示。由于相邻墩之间无法形成水平约束，此处墩顶边界条件为自由，因此墩顶弯矩为零，墩底和桩顶交接面处弯矩较横桥向有明显增大。

（2）考虑软土液化时的下部结构弯矩和剪力包络图如下：

当考虑软土液化后，计算结果如图8～图11所示。由于承台的存在，加强了桩顶的约束，故墩底和桩顶交界面及软硬土层交界面处桩身弯矩和剪力均出现了明显的峰值。

根据以上分析结果可知：对于大悬臂墩桩基础的地震响应，由于墩以上的桥面系质量较大，无论是否考虑软土液化时，均在桩基靠近地面处、软土底面处均出现弯矩峰值，记为峰值A、峰值B。考虑软土液化时，峰值B与峰值A相当，甚至大于峰值A，按考虑软土液化，则目前桩基主筋、箍筋的配置方式是合理的。不考虑软土液化时，峰值B远小于峰值A相当，按不考虑软土液化，则目前桩基主筋、箍筋可进行优化。

采用基岩输入地震波的时程分析法，可以得到：当地震波从基岩输入时，波动由土层往上传递，通过桩土相互作用给桩施加地震荷载，引起桩的动力响应。当表层土液化时，由于液体不传递剪切波，所以传给桩的动力荷载较小，由此导致的桩基动力响应较小。这相当于墩的长度加大，所以第一个峰值点下移。对于大悬臂墩，由于表层土的峰值点下移，其惯性力导致墩柱+桩的桩身弯矩加大，所以出现双峰值情况。当不考虑土层液化时，地震动可以由土层由下往上传递，由于桥面系质量产生的桩身上部弯矩均较大，因此出现上部峰值大于软硬土层交界面处弯矩的情况。

4结论

为了解地震动响应对深厚软土区大悬臂墩桥梁桩基的影响，本文采用有限元软件建立典型的桥梁大悬臂墩结构模型，得出如下主要结论：

（1）对于大悬臂墩桩基础的地震响应，由于墩以上的桥面系质量较大，无论是否考虑软土液化时，均在桩基靠近地面处、软土底面处均出现弯矩峰值，记为峰值A、峰值B。考虑软土液化时，峰值B与峰值A相当，甚至大于峰值A，按考慮软土液化，则目前桩基主筋、箍筋的配置方式是合理的。不考虑软土液化时，峰值B远小于峰值A相当，按不考虑软土液化，则目前桩基主筋、箍筋可进行优化。

（2）考虑液化情况下，桩身剪力随深度变化规律与桩身弯矩规律类似，即当考虑表层软土液化时，墩底和桩顶交界面及软硬土层交界面处桩身弯矩和剪力均出现了明显的峰值。

（3）采用基岩输入地震波的时程分析法，可以得知：当表层土液化时，由于液体不传递剪切波，所以传给桩的动力荷载较小，由此导致的桩基动力响应较小，并且表层土的峰值点下移，其惯性力导致墩柱+桩的桩身弯矩加大，所以出现双峰值情况。当不考虑土层液化时，地震动可以由土层由下往上传递，由于桥面系质量产生的桩身上部弯矩均较大，因此出现上部峰值大于软硬土层交界面处弯矩的情况。

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]公路桥梁抗震设计规范（JTG/T 2231-01-2020）[S].2020.

[3]陈令坤，蒋丽忠，余志武，等.高速铁路简支梁桥地震反应特性研究[J].振动与冲击， 2011，30（12）：216-222.

[4]刘金砺，高文生，邱明兵.建筑桩基技术规范应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]史佩栋.实用桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[6]史佩栋主编.桩基工程手册[M].北京：人民交通出版社，2015.

收稿日期：2021-10-08

作者简介：任艳（1983—）女，山西交城人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：道路与铁道工程。

Abstract： In order to understand the influence of seismic response on the pile foundation of large cantilever pier bridge in deep soft soil area， a typical structural model of large cantilever pier bridge is established by using finite element software. Considering  earthquake， the seismic response of large cantilever pier structure in deep soft soil area is numerically simulated. The results show that： for the seismic response of large cantilever pier pile foundation， when considering the liquefaction of surface soft soil， due to the large mass of bridge deck above the pier， no matter whether considering the liquefaction of soft soil or not， the peak moment appears at the pile foundation near the ground and the bottom of soft soil; In the case of liquefaction， the variation of pile shear force with depth is similar to that of pile bending moment， that is， when the liquefaction of surface soft soil is considered， the pile bending moment and shear force at the interface of pier bottom and pile top and at the interface of soft and hard soil appear obvious peaks; Using the time history analysis method of bedrock input seismic wave， we can know that when the surface soil liquefies， the dynamic response of pile foundation is small， and the peak point of surface soil moves down， and its inertial force causes the bending moment of pier plus pile to increase， so there is a double peak situation. When the liquefaction of soil layer is not considered， the ground motion can be transmitted from the bottom to the top of the soil layer. Because the bending moment at the top of the pile caused by the mass of the bridge deck system is large， the peak value at the top of the pile is larger than that at the interface of the soft and hard soil layers. The analysis results have important theoretical significance and guiding role for the design of bridge pile foundation in deep soft soil area.

Key words： Large cantilever pier; Deep soft soil area; Earthquake; bending moment; Shear force; Numerical simulation