Abstract The paper presents a parametric study on the seismic response of bridge piers founded on gravity caissons. Despite the wide use of caissons in bridge engineering, until a few years ago this foundation typology has been less investigated than piles and shallow foundations in both static and dynamic field. In most of the published studies, the seismic design of bridge piers was carried out without accounting for soil-structure interaction or by means of an uncoupled approach in which the superstructure was solved independently from the soil-caisson subsystem. In this study, coupled systems made of soil, caisson, pier and deck were analyzed in the time domain by a 3D finite element approach, considering rigid and massive caissons embedded in linear viscoelastic soils. In addition to unravelling the contribution of kinematic and inertial interaction to the total response of the caisson-bridge-pier systems, the study focuses on a particular aspect of kinematic interaction, overlooked in practical design and in most of previous studies, represented by the kinematic bending arising in the bridge pier due to the pier-to-deck joint rigidity. For some critical combinations of soil compliance, caisson geometry, pier height and input motion characteristics, the pier-deck constraint could induce kinematic bending moments in the pier as important as the inertial ones. A closed-form equation was finally proposed to predict the maximum kinematic moment in the bridge pier as a function of the key model parameters identified through the parametric study.

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沉箱支撑桥墩在粘弹性土上的地震响应

摘要 本文提出了基于重力沉箱的桥墩地震反应的参数研究。尽管沉箱在桥梁工程中被广泛使用，但直到几年前，这种基础类型在静力和动力领域的研究都少于桩和浅基础。在大多数已发表的研究中，桥墩的抗震设计是在没有考虑土-结构相互作用的情况下进行的，或者通过解耦方法进行，其中上层结构独立于土-沉箱子系统求解。在这项研究中，考虑嵌入线性粘弹性土壤中的刚性和大型沉箱，通过 3D 有限元方法在时域中分析了由土壤、沉箱、桥墩和甲板组成的耦合系统。除了揭示运动学和惯性相互作用对沉箱-桥墩系统的总响应的贡献外，该研究还侧重于运动学相互作用的一个特定方面，在实际设计和大多数以前的研究中被忽视，以运动学为代表由于桥墩与甲板的连接刚度而在桥墩中产生的弯曲。对于土壤柔量、沉箱几何形状、桥墩高度和输入运动特性的一些关键组合，桥墩-甲板约束可能会在桥墩中引起与惯性力矩一样重要的运动弯矩。最后提出了一个封闭式方程来预测桥墩中的最大运动力矩，作为通过参数研究确定的关键模型参数的函数。该研究侧重于运动学相互作用的一个特定方面，在实际设计和以前的大多数研究中都被忽略了，代表是由于桥墩与甲板连接刚度而在桥墩中产生的运动学弯曲。对于土壤柔量、沉箱几何形状、桥墩高度和输入运动特性的一些关键组合，桥墩-甲板约束可能会在桥墩中引起与惯性力矩一样重要的运动弯矩。最后提出了一个封闭式方程来预测桥墩中的最大运动力矩，作为通过参数研究确定的关键模型参数的函数。该研究侧重于运动学相互作用的一个特定方面，在实际设计和以前的大多数研究中都被忽略了，代表是由于桥墩与甲板连接刚度而在桥墩中产生的运动学弯曲。对于土壤柔量、沉箱几何形状、桥墩高度和输入运动特性的一些关键组合，桥墩-甲板约束可能会在桥墩中引起与惯性力矩一样重要的运动弯矩。最后提出了一个封闭式方程来预测桥墩中的最大运动力矩，作为通过参数研究确定的关键模型参数的函数。由桥墩由于桥墩到甲板的连接刚度而产生的运动弯曲表示。对于土壤柔量、沉箱几何形状、桥墩高度和输入运动特性的一些关键组合，桥墩-甲板约束可能会在桥墩中引起与惯性力矩一样重要的运动弯矩。最后提出了一个封闭式方程来预测桥墩中的最大运动力矩，作为通过参数研究确定的关键模型参数的函数。由桥墩由于桥墩到甲板的连接刚度而产生的运动弯曲表示。对于土壤柔量、沉箱几何形状、桥墩高度和输入运动特性的一些关键组合，桥墩-甲板约束可能会在桥墩中引起与惯性力矩一样重要的运动弯矩。最后提出了一个封闭式方程来预测桥墩中的最大运动力矩，作为通过参数研究确定的关键模型参数的函数。