接触桩土作用模型在桥梁地震响应分析中的应用

时 程 分析 采 用 直接 积 分 法 ， 分 析 得 到桩 在 地 震 力 作用 下 的响应 ， 包 括 桩 的位移 、 加 速度 、 弯矩 、 剪力 等 响应 。 提 取 两种 模 型 计算 得 到 的桩 顶 位 移 、 加 速度 ， 桩 底 弯矩 和 剪 力 最 大地 震 响 应值 列 于下 表 中 。
１有 限元 接触 桩 土作 用模型
大量 的试 验 研 究 表 明 ， 在 地震 力 作 用 下 ， 桩 与土 体 的 相互 作 用 会 使 土体
样 的结 果 显示 ， 接 触桩 土 作用 模 型 可 以模 拟 桩 土 间的 分 离 、 摩 擦 以及 土体 屈
服 等现 象 。
采 用接 触模 型 分析 得 到 的桩顶 位移响应 峰 值 、 桩 底 弯矩 峰值 及 桩底 剪 力 峰 值均 较采 用 动力 Ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ ￣ 型分 析得 到 的响 应值 大 。分析 其原 因 ， 主 要是 因
参 考文 献 … １ 于芳 １ 周 福 霖， 温 留汉 ， 黑沙． 设置 双 向隔震 支座 铁 路 桥 梁 的耦 合 振 动 响 应 Ⅱ ］ ． 东南大 学 学报 （ 自然 科 学版） ． ２ ０ １ ０ ， ４ ０ （ ３ ） ： ５ ６ ６ － ５ ６ ９ ． 【 ２ １ 陈永康 ， 岳建 彬． 大跨度 混 凝土 斜拉 桥模 态 与地 震 响应 分析 田 西部 交通 科技 ， ２ ０ １ ２ ， （ １ ２ ） ： ２ ５ － ２ ９
会发生屈服， 产生较大不可恢复变形。 采用传统的假定模型 ， 无法模拟这种桩
土 在地 震 中的分 离现 象 。
有 限 元方 法 中 的接触 单 元 的引 入 ， 为 这个 问 题提 供 了 解决 的 途径 。采用
接触单元处理桩与土的接触面， 通过接触单元特殊的本构关系模拟接触面的 力 学行 为 。由此 ， 可 考虑 沿 接触 面 发生 的大 的 滑移 、 分 离 与旋 转 运动 。采 用实 体 单元 模 拟 桩 和土 体 ， 在桩 和 土 体 的接 触 界 面 上加 入 接触 单 元 ， 可 实 现模 拟
桩 土 间大 的滑移 、 分离 现象 。
为接触模型可以模拟桩土间的分离、 摩擦以及土体屈服等现象 ， 而ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ 模 型中土体与桩体始终是完全接触的， 无法考虑桩土接触面的非线性特性。对 于桥梁 的抗震设计来说 ， 采用Ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ ￣型分析得到的地震响应值是偏小的 ， 对于设计是偏于不安全的。而采用接触模型进行分析 ， 对 于桥梁 的抗震设计 是 偏于 安全 的。
●
【 ３ 】 王金龙， 郑 俊 杰． 小河特 大桥 动 力 特性 分 析 Ⅱ ］ 西部 交通科 技 ， ２ ０ １ ０ ， （ ７ ） ：
７ ０ －７ ４ ．
ｆ ４ ］Ｍａ ｈ ｅ ｓ ｈ ｗａ ｒ ｉ ａ Ｂ Ｋ ， Ｔ ｒ ｕ ｍａ ｎ ａ Ｋ ｚ ，Ｎａ ｇ ， ｇ ａ ｒ ｂ Ｍ Ｈ Ｅ １ Ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ
Ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ ￣型以及有限元接触实体模型。对于有限元接触实体模型， 桩和土均 采 用Ｓ Ｏ Ｌ Ｉ Ｄ ４ ５ 单元 ， 桩和 土 之间 的接 触则 采 用Ｃ Ｏ Ｎ Ｔ Ａ１ ７ ３ 接触 单元 模 拟 。
地 震 输入 采 用 １ ０ ｓ 时长的１ ９ ４ ２ 年Ｅ ｌ － ｅ ｃ ｎ ｔ ｏ ｒ 地 震 记 录 ，从 桩 基 底 面水 平 方 向输入 。对结 构 进行 了水 平 方 向的 动态 时程 分析 。 ２ ． ２分析 结 果对 比
比分析基于接触桩土作用模型和常规的动力Ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ 模型的地震响应分析结果 ， 表明利用接触桩土作用模 型分析得到的桩柱的地震 响应 极值 要 比Ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ 模 型 的大 ， 主要 原 因是 接触 桩土 作 用模 型 可 以考 虑 桩一 土 间非 线性特 性 。 对 比结 果 验证 了接 触桩 土作 用 模型 可 以合理 反 映地 震 中桩 土 相互作 用 的机 理 和工 作状 态 。 关键词： 地 震 响应 ； 桩 土作 用 ； 接触 模 型 ； 时 程分 析
施 工技 术与应 用
接触桩 土作 用模型在桥 梁地震 响应分析 中的应用
摘要： 基 于 有 限元 接触 理论 ， 利用 接 触模 型模 拟 桥 梁地 震 响 应分 析 中的桩 土作 用 。采 用 该模 型 ， 在地 震 响应 分 析 中可 有 效 的模 拟土 体 塑性 特性 以及 桩一 土之 间的界 面存 在 的相 对 滑移 、 分 离、 和 摩 擦等 复 杂 的非 线性行 为 。对一 桩基 进行 了地震 响应 时程 分 析 ， 对
３ 结论
本文 提 出采 用有 限元 接 触单 元 的方 法来 模拟 桩土 作 用 。 通 过对 一个 数值 进行 地震 时 程分 析 ， 对 比分 析 了接 触桩 土作 用模 型 和 常规 的 桩土 模 型对 地震
２ 桩 土作 用模 型对 地震 响应 分析 的影 响
２ ． １地 震响 应 分析 模型 建 立 为 了分析 桩 土作 用模 型 选取 的 不 同对 地 震 响应 分 析 的影 响 ， 以一 根 方桩 为算例 。 方桩材料为Ｃ ５ ０ 混凝土 。 方桩地面以下深度为１ ０ ｍ， 地面以上为８ ｍ。 桩 截 面为 ｌ ｍ ×ｌ ｍ 矩形 截 面 。 上 部 结构 简化 为 质量 １ ． ５×１ ０ ５ ｋ ｇ 的集 中质 量块 。 采 用 有 限元 软件 ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 分 桩 土相 互作 用 有限 元模 型 ， 桩 土作 用 模 型分 别采 用 动力
响应分析结果影响的不同。结果表明， 采用接触模型分析得到的桩顶位移响 应峰值 、桩底弯矩峰值及桩底剪力峰值均较采用动力Ｗｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ ￣型分析得到 的 响应值 大 ， 对 于 桥梁 的抗 震设 计 是偏 于安 全 的 。有 限元 接 触模 型 可很 好地 模 拟桩 土 间的分 离 、 摩 擦 以及 土体 屈服 等 现象 。