土工合成材料加筋土桥台动力响应数值模拟分析.pdf

归纳了土工合成材料加筋土桥台数值模拟中筋材、土体的本构模型及相关参数，基于 有限差分软件，开展土工合成材料加筋土桥台动力响应数值模拟并通过振动台模型试验验证，在此基础上，讨论加筋长度、附加荷载以及加筋与否对桥台前墙的峰值位移的影响。结果表明：延长筋材长度、减小附加荷载以及加筋可有效提高桥台的抗震性能，在不加筋时，不利于结构整体稳定，易发生倒塌。关键词：土工合成材料；加筋土柔性桥台；参数取值；动力响应；水平位移中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：防灾科技学院研究生创新基金项目（）；中央高校基本科研业务费（）作者简介：张少秋（），男，硕士研究生，主要从事岩土工程与结构抗震方面的研究通讯作者：蔡晓光（），男，博士，教授，主要从事岩土工程与结构抗震方面的研究 引言土工合成材料加筋土桥台复合结构（简称 ）作为新型的加筋土结构（见图 ）已广泛应用于公路和铁路中，该结构是 桥台、桥跨结构和引道路基共同协调变形的统一整体，其中 桥台是在 墙的基础上将桥面板和车辆交通荷载直接施加在加筋体的顶部。相比于 墙，结构压实度更高、加筋间距更小，且表现出的力学性质也不同 。该结构避免了桩基的使用，并能解决由于刚度差异而引起的桥梁和引桥连接处的不均匀沉降问题 。由于桥台不仅具有造价低、施工快、节省桥台两侧空间的优点，且抗震性能在 年神户 级大地震中得到了检验，结构几乎没 有变形，性 能 远 优于 传 统桥台 。美国联邦公路局针对 万座需要改造的中小型桥梁提出了改造方案将运用 ，因此 具有广阔的应用前景 。众学者对 进行了大量的承载力、动图 典型 结构 力试验和现场监测，模型试验可研究 桥台在静、动力作用下加筋材料的力的分配及传力机制，缺点是耗时长、试验结果受模型施工的影响较大，因此数值模拟受到了广泛关注。现如今已对 墙进行了大量的数值模拟地震分析 ，而 桥台的数值研究较少，尽管 墙与 桥台具有相似性质，但 桥台存在桥梁及上附土体荷载，因此对 桥台进行数值研究也具有重要意义。等运用非线性本构模型作为土体的本构模型在对 墙输入 地震波后，得到了峰值和永久面层侧向位移和土工格栅的筋材拉力。对 个 墙进行了数值模拟，输入不同方向的地震波，并对震后墙面板位移和筋材拉力进行处理，数值模拟所得数据与试验结果相符。通过数值方法模拟复杂的岩土工程问题具有众多优点，不仅能够得到更多测点数据，且不需要放置众多监测仪器，减小了工程量；评估不同加载条件、不同模型参数对岩土工程结构的影响，从而减少试验和现场监测的成本 。是 美 国 公 司 开 发 的 二维 三维显式有限差分程序，又称为二维 三维快速拉格朗日法。对于加筋土桥台，常用的计算模式有静力计算、动力计算以及考虑温度变化的计算 。可以运用内置 语言对本构模型进行二次建模，用于分析不同本构模型下加筋土桥台的静动力响应特性 。现有研究中，采用 对加筋土桥台结构的静动力响应进行分析时，各部分参数选取的为经验值。因此本文对现有文献中加筋土桥台的数值模拟静动力分析进行总结，并将对应数值模型中各结构单元与材料参数取值进行了统计。以振动台模型试验为基础，采用 建立了模块式 桥台数值模型，探讨了不同加筋长度、不同附加荷载以及是否设置加筋材料三种情况下，前墙墙面板在地震作用下的水平位移变化情况。在加筋土桥台中的应用 静载研究在研究分析加筋土桥台使用性能时，研究手段除模型试验和现场监测以外，数值模拟也是一重要分析方法，其不仅可以分析某模型的现场情况，还可对该结构进行参数敏感性分析，模拟出适合加筋土桥台的最优解，这样不仅可节约成本、加快施工，也为今后的科学研究提供便利 。已有多位学者通过数值模拟软件如有限元软件和 软件对加筋土桥台在静力和动力作用下的工作性能进行试验，并取得了良好的试验结果。席永 慧 采 用 有 限 差 分 软 件 对 加筋土桥台在 下进行数值分析，采用内置 （梁单元）模拟面板和桥台基础的混凝土结构。结果表明：桥台中加筋材料的轴向受力分布情况为由面板向内逐渐减小，这由加筋土摩擦加筋理论可以得到很好的解释；建议用准黏聚力理论解释加筋土体内的应力 应变关系；墙面板最大水平位移的位置在墙面板的 处，并且数值模拟数据与实测值相近。使 用 对 加筋土桥台在施工和服役期内的性能进行模拟，混凝土墙面、桥座和引道板均采用线弹性材料模拟，模拟得到的位移、土压力及筋材应变和应力结果与现场实测接近，并改变回填土的相对压实度和黏聚力，加筋材料的间距、长度、刚度和桥梁荷载大小对加筋土桥台进行计算分析，结果表明，回填土的压实度、加筋间距、加筋刚度和桥梁荷载对加筋土桥台的水平位移和桥座的沉降具有显著影响，并且桥座和引道部分的相对差异均很小，这符合加筋土桥台在实际工程中的应用情况。这也说明加筋土桥台可以有效解决桥座和引道部分的不均匀沉降问题。郑烨炜 研究了加筋间距、回填土性质和桥座尺寸在使用荷载条件下筋材拉力的影响，表明筋材加筋间距和回填土的内摩擦角对静载作用下的筋材拉力有着显著影响。在破坏荷载条件下最大筋材拉力的连接线呈 形，并且不会随着土工格栅的加筋参数的改变而发生过大改变，这说明在对加筋土桥台静力作用下的设计时，不需要过多考虑破裂面变化情况，进而节约成本。郭鹏飞 以山西省陵川县的一座加筋土柔性桥台为原型，采用 软件，建立了 个不同加筋间距的静力试验加筋土桥台模型，以及未加筋情况下的桥台，比较了有无加筋和不同加筋间距下的墙面板水平位移情况。结果表明：上部静荷载的改变对挡墙结构的水平和竖向位移有显著影响。并且土工格 栅 的 加 筋 间 距 在 及以下时，桥台不会发生失稳破坏，这可以减少工程建设时的时间和成本。李建达 利用 中内置 模块，采用强度折减法建立了传统桥台、锚杆加固桥台、加筋土桥台以及与锚杆结合的加筋土桥台模型，得到了不同加固方式下的桥台整体性安全系防灾科技学院学报第 卷数。当建设的桥台高度在 时，加筋土桥台和锚杆加固的单一加固方式桥台均可达到安全储备；当高度达到 时，单一的加筋处理或锚杆加固对桥台的稳定性有微弱的提高，而锚杆加固和加筋的耦合处理对安全系数的提升较大。章苏亚 采用 软件建立 形加筋土桥台和传统粗颗粒加筋土桥台模型，对比申 大 为 的 数 值 模 拟 结 果 后，以 、和 为荷载进行数值计算，分析两类桥台的沉降随荷载的变化规律、土压力和水平位 移 变 化 情 况，结 果 表 明 传 统 粗 颗 粒 土 与 形加筋土桥台的工作性能基本一致。在静力作用下利用 对加筋土桥台进行的数值模拟结果与试验值吻合性良好，且在进行参数敏感性分析时：减小加筋间距、增加筋材刚度、增加回填土压实度对桥台竖向沉降有显著抑制作用，但改变加筋材料参数不会对加筋土桥台破裂面形状产生影响；采用复合加筋结构能够增加加筋土桥台的安全系数。动力研究目前加筋土桥台在动力作用下的数值模拟研究较少，并且国内缺少 桥台的抗震设计方法和设计规范，因此研究其破坏机理，揭示地震荷载作用下 桥台的位移失效机制，对工程设计具有重要的理论意义和工程价值。因此运用数值模拟对动力作用下加筋土桥台进行计算十分重要。刘鹏飞 利用 中的 语言，在石丽峰 的非线性滞回本构模型上进行二次开发，该模型以邓肯 张模型为基础，建立了弹性阶段为非线性滞回曲线，塑性阶段遵循莫尔 库伦破坏准则，并以开发后的本构模型为基础对传统支座桥、加筋土传统支座桥、整体式桥和加筋土整体式桥输入 和 地震波后的水平位移、弯矩和回填土地表的残余沉降进行了分析，结果表明：整体式桥台在加入加筋材料后，由于筋材的拉力作用，桥台的水平位移、回填土表面沉降和底部的最大弯矩均降低。采用不同筋材的搭建形式（上长下短、上短下长和长短交错），对输入峰值加速度为 和 后的地表沉降进行模拟，结果表明不同的筋材布设形式不会对桥台的沉降起到明显抑制作用。石丽峰 开发了一个考虑土体硬度、非线性滞回动力本构模型。以整体式桥台为基础，对比分析了不同土体本构模型（莫尔 库伦本构及非线性动力本构）设置的动力响应结果。结果表明，两种本构模型下的结果差距不大，但莫尔 库伦模型计算效率更高、更具有实用性。采用 以皇家军事学院搭建的两个 墙缩尺模型（简称 墙）的实测结果、的 墙振动台试验为基础，分别进行静力和动力响应的数值验证。通过改变桥台上部荷载的施加形式（桥梁实体单元和等效施加荷载），研究桥台的水平位移。结果表明：在水平地震荷载作用下，采用混凝土实体单元作为上部荷载，对下部挡墙结构的水平位移有显著影响；当采用等效施加荷载时，结构的水平位移相比于采用混凝土实体单元作为上部荷载，静力和动力作用下数值分别增大 和 。以混凝土实体单元作为桥梁更加符合实际情况，因此建议在对加筋土桥台进行数值模拟时尽可能采用实体单元模拟桥梁荷载。高慧芳 采用 建立了有、无加筋材料的桥台动力模型，并在模型底部施加水平向地震动时程，数据表明：加筋土桥台在地震动作用下的水平位移和竖向沉降均小于未加筋的桥台；另外对比了单向和双向地震作用下加筋土桥台的地震反应。结果表明：水平向地震波对加筋土桥台的影响大于竖向地震波。因此在对加筋土桥台进行抗震分析时应着重考虑在单向特别是水平向地震波下的动力反应情况。由 在动力数值模拟结果可知：土体的非线性滞回本构模型与莫尔 库伦本构模型均取得了良好结果，但莫尔 库伦本构模型更为实用；改变加筋材料的搭建形式并不会对沉降起到明显作用，因此建议在实际工程中按规范设计即可；在加筋土抗震设计中应着重考虑单水平向地震动的动力反应。在以上数值模型中可知，正确选择相应的土体本构模型、材料参数及接触面性质的是建立模型成功与否的关键。因此本文将上述案例中模型的加筋材料的选取、土体参数及接触面参数进行汇总，如表 所示。第 期张少秋等：土工合成材料加筋土桥台动力响应数值模拟分析表 筋材、土体及选用本构 ，参考文献加筋材料加筋材料所用单元土体本构模型席永慧土工格栅条形锚单元 郑烨炜土工格栅内置 单元非线性弹塑性本构郭鹏飞土工格栅内置 单元 李健达土工格栅内置 单元 刘鹏飞土工格栅 单元非线性滞回本构石丽峰土工格栅线弹性模型梁单元非线性滞回本构 土工格栅 单元基于硬化塑性理论的双屈服模型章苏亚土工格栅表 土体参数 参考文献密度 （）黏聚力 内摩擦角 （）泊松比体积模量 剪切模量 席永慧 郑烨炜 郭鹏飞 李健达 刘鹏飞 石丽峰 章苏亚 表 模型中筋材参数 参考文献弹性模量（）泊松比耦合弹簧内聚力 耦合弹簧摩擦角（）耦合弹簧刚度（）厚度 密度（）郭鹏飞 李建达 刘鹏飞 章苏亚 高慧芳 石丽峰 表 接触面参数 参考文献参数土 模块模块 模块桥梁 桥座土 桥座郑烨炜法向刚度 （）切向刚度 （）摩擦角 （）黏聚力 法向刚度 （）切向刚度 （）摩擦角 （）黏聚力 章苏亚法向刚度 （）切向刚度 （）摩擦角 （）黏聚力 防灾科技学院学报第 卷 模块式 桥台振动台模型试验本次试验采用防灾科技学院土木工程试验中心的三向六自由度地震模拟振动台完成，台面尺寸 （长 宽），最大荷载为 ，满载时输入最大加速度为 向 ，工作频率为 ，最大水平行程为 ，振动波形包括正弦波、地震波和随机波。为减小实验过程反力墙对地震波的反射，在反力墙上黏贴 厚海绵。模型试验的相似关系为真实模拟地震荷载作用下模块式面板加筋土桥台的动力响应规律，综合考虑试验装置的尺寸及承载力，以美国 桥台和我国山西第一座 桥台为原型，参考 提出的相似关系，将相似比定为?（模型尺寸 原型尺寸），各变量相似关系如表 所示。表 各变量相似关系 序号物理量相似常数比例系数（模型 原型）?几何尺度应变 密度 内摩擦角 输入加速度 持续时间 频率 应力重力加速度 试验模型制作与监测点布置模型尺寸为 （长 宽高），其中下部挡墙结构尺寸为 （长 宽 高）。模型所用相关材料为：（）模型砖：由于考虑到非加筋层，因此制作 （长 宽 高）、（长 宽 高）、（长宽 高）和 （长 宽 高）四种规格的 混凝土模型砖，采用错缝搭接。（）土工格栅：选用 双向焊接土工格栅（规格：），试验用格栅需将格栅剔除二分之一纵肋，使得格栅抗拉强度为 ；下部挡墙结构中筋材长度为 ；上部引桥处加筋长度为 。（）回填料：采用 规范中推荐的级配不良的中砾（、），最大干密度为 ，最小干密度为 ，黏 聚力 为 ，内 摩 擦 角 为 ，进 行 模 型 制 作。（）桥 座：外 部 尺 寸 为 （长 宽 高），由 混凝土浇筑，上部施加荷载参考 现场实验施加的车辆重载在 ，根据相似比，施加的荷载为 ，选用铅制配重块施加。模块式 桥台模型设计如图 所示，模型整体高为 ，其中下部挡墙结构和上部结构分别为 和 。土工格栅水平布置，满铺于填料且与模型砖摩擦连接，竖向层间距为 ，半加筋层竖向间距为 。布设的测试仪器为顶杆位移计，用于记录地震作用下前墙面板沿墙高的峰值位移、残余位移和引桥处回填料的竖向沉降。模块式 桥台试验模型见图。输入地震动时程选取根据振动台模型试验，选取经过实验室处理的 年汶川地震卧龙台站采集到的卧龙波（简称 波）以及 年美国 地震的 地震台站采集的地震波（简称 波）。根据相似比?，对 波以及 波的时间进行压缩处理，压缩后的 波持续时间为 ，卓越频率为 ，波的持续时间为 ，卓越周期为 。施加的地震波时程曲线和傅里叶变换谱如图 所示，加载工况如表所示，表中 为峰值加速度。数值模型运用 建立与模块式加筋土桥台振动台试验数值模型，模型尺寸与试验相同。模型及接触面情况如图 所示。数值模型中共包括墙面板、桥座、反力墙和回填土以及格栅 部分。墙面板、桥座和反力墙均采用弹性本构；回填土采用 本构；为保证模型在计算过程中收敛，将回填土的黏聚力设为 ；筋材选用 内置的 单元进行模拟；各单第 期张少秋等：土工合成材料加筋土桥台动力响应数值模拟分析图 模块式 桥台模型设计图 图 模块式 桥台振动台试验模型 元以及接触面参数以表 的基础上提取的经验值为基础，最终取值如表 和表 所示。经调试后确认阻尼采用局部阻尼，边界条件为自由边界。为验证数值模型的准确性，本次数值模拟在进行计算时选取输入与试验相同地震波加速度时程。数值模拟分析 数值模拟验证为了验证数值模拟与试验结果的吻合性，采用试验工况中施加的 波与 波情况下的前墙水平峰值位移，将试验实测值与数值模型模拟防灾科技学院学报第 卷图 加载地震波加速度时程及傅里叶变换谱 表 加载工况 序号输入波形 相似比工况代号 （）（）（）（）（）（）图 模块式 桥台数值模拟模型 值进行对比，对比结果如图 所示，试验结果与数值模拟结果具有很好的吻合性，数值模型较为可靠。图 中的墙高比为监测高度与模型墙高（）的比值。在进行动力计算时，首先进行静力计算，将模型的后方（反力墙处）和底部固定，并在桥座处施加竖向荷载。待静力荷载计算结束，进行动力计算，计算时在模型底部施加加速度时程以模拟振动台振动。参数敏感性分析及工况通过对模块式面板 桥台开展振动台试验，对试验结果进行分析可知，模型的抗震性能受多种因素的影响，比如加筋材料的尺寸及强度、上部附加荷载的大小、回填土黏聚力等，因此采用控制变量法对不同材料参数下的模型结果进行分析，通过改变土工格栅的加筋长度、附加荷载的大小及是否加筋处理情况下桥台的前墙水平位移变化情况。基准模 型 及 改 动 参 数 如表 所示。改变加筋长度图 为模型在不同加筋长度下，前墙在振动过程中的水平峰值位移变化情况，由图 可知，试验实测值与数值模拟结果均随墙高的增加而逐渐增大，在模型顶部达到最大。随着峰值加速度的增加，峰值位移逐渐增大，前墙的位移模式呈现为外倾式。加筋长度自 至 ，同一工况下各层的峰值位移逐渐减小，在输入 的 波时，的加筋长度的模型前墙顶部峰值位移最大值为 ，相比加筋长度为 相 同 工 况、相 同 位 置 处 的 值 增 大 ，因此增大加筋长度可增加桥台的抗震性能。第 期张少秋等：土工合成材料加筋土桥台动力响应数值模拟分析表 模型各部分设置参数 模型分组密度 （）杨氏模量 泊松比摩擦角 （）黏聚力 膨胀角 （）厚度 反力墙 回填料 模型砖 桥座 土工格栅 表 接触面参数 参数混凝土 混凝土接触面填土 混凝土接触面填土 反力墙接触面剪切刚度 （）法向刚度 （）摩擦角 （）黏聚力 表 参数敏感性分析参数变动 参数序号工况基准 加筋长度 基准 上部荷载 是否加筋基准加筋不加筋图 试验实测值与数值模拟验证 改变附加荷载图 为模型在不同附加荷载下，前墙在振动过程中的峰值位移变化情况，由图 可知，不同附加荷载下，模型的前墙位移均随峰值加速度的增加而逐渐增大。附加荷载自 至 变化时，峰值位移也逐渐增大，在 时达到最大。在输入 的 波时，荷载为 前墙顶部峰值位移最大值为 ，较荷载为 位移值大 。增加桥台处的附加荷载，会增大前墙的水平位移，因此在桥台的搭建过程中，除遵从规范要求以外，建议尽可能防灾科技学院学报第 卷图 不同加筋长度前墙峰值水平位移变化规律 图 不同附加荷载前墙峰值水平位移变化规律 第 期张少秋等：土工合成材料加筋土桥台动力响应数值模拟分析图 加筋与不加筋情况下前墙墙面板水平峰值位移变化规律 减小上部荷载，以增加结构的安全性能。将图 与图 在同一峰值加速度工况下的前墙峰值位移进行对比可知，改变加筋长度，更能有效地减小墙面板的水平位移。是否加筋图 为加筋（基准）与非加筋情况下桥台墙面峰值水平位移变化情况。由图 可知，地震波的频谱特征对墙面板的动力响应影响较大；由于 波的频谱存在两次高振幅，因此 波的能量大于 波。在不加筋情况下输入 波时，随着峰值加速度的增大，墙面板的峰值位移逐渐增大，墙面板的位移值最大点位置从顶部逐渐向中部过渡，墙面板由外倾式逐渐转变为中部鼓胀。在 时，峰值位移出现在 处，最大值为 （），同工况加筋情况下该处位移最大值为 （）。因此可知：添加加筋材料（如土工格栅）能很大程度减小墙面板的水平位移情况。结论（）在 和 中均可采用 语言对非线性滞回本构作为土体本构进行模拟，且取得良好效果；相对于改变筋材搭建形式，减小加筋间距更利于提高加筋土桥台在静、动力作用下的稳定性。（）以经验值为基础建立的 数值模型经试验验证具有良好的吻合性，各部分参数取值可为研究人员运用 对加筋土桥台进行数值模拟时提供参考。（）增加加筋长度、减小附加荷载及进行加筋处理，均可减小桥台结构在地震作用下墙面板的水平位移。在不加筋时输入地震动时程，墙面板水平位移值较大，不利于结构整体稳定，易发生倒塌。讨论截至目前，国内外专家学者采用 对加筋土桥台的静力及动力响应进行了数值模拟，然而在研究中仍存在许多问题亟待解决：（）为研究其动力响应规律，仅考虑了单向水平地震动，然而实际地震过程为三向地震动时程的耦合，因此仍需进一步开展双向或三向耦合地震动下的响应情况。（）需 深 入 分 析 加 筋 土 桥 台 动 力 作 用 下筋 土之间的相互作用，面板、筋材、土体力学传递机理，并通过其动力特性（自振频率与阻尼比），以得到动力失效模式与失效破坏机理。（）现有动土压力计算公式中的物部 冈部法为针对加筋土挡墙而提出，且未考虑加筋材料发挥的作用，相比之下加筋土桥台受到上部桥梁以及引桥处荷载作用，其动土压力沿墙高的变化规律不同，因此需开展数值分析，得到其分布规律，并进一步提出适用于加筋土桥台的动土压力计算公式。参考文献 徐超，罗敏敏 结构与 结构的性能差异防灾科技学院学报第 卷及评价方法 长江科学院院报，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，朱晨，蔡晓光，黄鑫，等 土工合成材料加筋土柔性桥台研究现状 防灾科技学院学报，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：陈育 民，徐 鼎 平 基 础 与 工 程 实例 版 北京：中国水利水电出版社，刘鹏飞加 筋 土 整 体 式 桥 台 地 震 响 应 数 值 分析 北京：清华大学，罗敏敏，徐超，杨子凡 土工合成材料加筋土柔性桥台复合结构及应用 土木工程学报，（）：席永慧，项宝 加筋土柔性桥台性能的 数值分析 岩土工程界，（）：，（）：，郭鹏飞 静荷载作用下加筋土柔性桥台位移影响数值分析 太原：中北大学，李建达 土工格栅与锚杆结合的复合加筋土桥台的稳定性数值分析 太原：中北大学，章苏亚 形加筋土桥台受力性能数值模型研 究 现 代 交 通 技 术，（）：申大为，徐明，刘鹏飞 加筋土整体式桥地震反应研究 工程力学，（）：石丽峰 地震作用下整体式桥台的动力响应数值模拟与试验研究 北京：清华大学，（）：高慧芳 双向地震作用下土工格栅加筋土柔性桥台稳定性分析 太原：中北大学，第 期张少秋等：土工合成材料加筋土桥台动力响应数值模拟分析 ，（）：，（）：，（，；，；，；，；，）：，（），；，：；防灾科技学院学报第 卷