MIDAS橋梁計(jì)算中樁基模擬方法的探討

陳良田（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院, 天津300457）

MIDAS橋梁計(jì)算中樁基模擬方法的探討

陳良田
（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院, 天津300457）

摘 要：在橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算中，樁基礎(chǔ)的樁-土動(dòng)力相互作用是較為復(fù)雜的問題之一。各國學(xué)者和橋梁設(shè)計(jì)人員針對樁土作用提出了不同的計(jì)算及模擬方法（K法、C值法等），現(xiàn)階段廣為設(shè)計(jì)人員接受和采用的計(jì)算方法為“m法”；基本原理是將樁作為彈性地基梁進(jìn)行考慮計(jì)算。本文針對midas計(jì)算中樁基礎(chǔ)模擬的不同考慮方式進(jìn)行論述，分析得出不同模擬方式對上部結(jié)構(gòu)計(jì)算帶來的影響，以對今后橋梁計(jì)算有所幫助。

關(guān)鍵詞：樁土作用；“m法”；樁基礎(chǔ)模擬

橋梁結(jié)構(gòu)空間建模計(jì)算中，樁基結(jié)構(gòu)的模擬方式會(huì)很大程度的影響承臺底的約束剛度。承臺底約束剛度數(shù)值的變化將導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)同種工況下內(nèi)力和位移數(shù)值有差異。尤其在現(xiàn)階段對地震工況下對橋梁的設(shè)計(jì)，墩頂?shù)卣鹚搅?shù)值對其更為敏感。本文通過對3x30等截面現(xiàn)澆箱梁地震工況下的midas抗震分析；一種方法通過樁土彈簧對樁體進(jìn)行模擬，另一種通過橋易軟件算出樁頂剛度施加到midas模型中墩底約束。通過兩種方法計(jì)算墩頂水平力結(jié)果的對比研究，給出在橋梁設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)計(jì)算的建議。

1 midas模型模擬土彈簧結(jié)構(gòu)計(jì)算

工程概況：3x30m等截面現(xiàn)澆箱梁，橋?qū)?3.0m，墩柱采用花瓶墩，支座采用鉛芯隔震橡膠支座，中墩樁基礎(chǔ)為4顆Φ1.5m直徑混凝土灌注樁。橋梁結(jié)構(gòu)midas模型如圖1。

橋梁全橋模型采用梁單元進(jìn)行建模，主梁與墩柱的連接采用模型中的減隔震支座單元進(jìn)行實(shí)際剛度模擬。承臺以下樁基礎(chǔ)采用土彈簧約束模擬（圖2）。樁基在軸向和橫向荷載作用下樁身的內(nèi)力和位移計(jì)算，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多方法。目前較為普遍的是樁側(cè)土采用文克爾假定，通過求解撓曲微分方程，再結(jié)合力的平衡條件，求出樁各個(gè)部位的內(nèi)力和位移，該方法稱為彈性地基梁法。以文克爾假定為基礎(chǔ)的彈性地基梁法從土力學(xué)觀點(diǎn)看是不夠嚴(yán)密的，但基本概念明確，方法簡單，所得結(jié)果一般較為安全，在國內(nèi)外工程得到廣泛應(yīng)用。我國公路、鐵路樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中常用的“m法”就屬于此種方法，本文第一種計(jì)算方法就是根據(jù)“m法”來確定樁側(cè)的土彈簧剛度，對橋梁結(jié)構(gòu)的樁基進(jìn)行模擬。

在計(jì)算中樁側(cè)的土彈簧等效剛度由公式：K＝mzb0h0進(jìn)行計(jì)算。其中m為地基水平向抗力系數(shù)；z為自地面起深度；b0為樁的等效寬度；h0為樁基單元?jiǎng)澐珠L度。橋梁結(jié)構(gòu)模型采用反應(yīng)譜分析進(jìn)行E2地震工況下的計(jì)算，模型后處理后查詢橋梁結(jié)構(gòu)墩頂在地震工況下所產(chǎn)生的水平力。由于兩個(gè)中墩均采用減隔震支座，支座型號一致，故模型計(jì)算得出兩墩頂相同的地 震水平力H；H＝2598kN。

上文所述關(guān)于midas中采用該軟件自身土彈簧模擬建模，其中有幾點(diǎn)需特別注意：首先，“m法”中m的取值往往在地勘資料中是沒有具體數(shù)值的，一般根據(jù)地層和設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)從規(guī)范查得，m值的取值對剛度的計(jì)算結(jié)果影響較大，取值的把握應(yīng)該在計(jì)算中特別注意；其次，由于實(shí)際設(shè)計(jì)樁長往往較長，而根據(jù)樁基的實(shí)際內(nèi)力彎矩曲線可知，較下面的樁的剛度對承臺底部抗推剛度影響較小，故在模型計(jì)算中沒有必要對全部樁長進(jìn)行模擬，有利于節(jié)省計(jì)算周期。

2 midas計(jì)算中承臺底約束采用集成剛度進(jìn)行約束

上文中所提到的采用土彈簧剛度進(jìn)行樁基模擬的方法，在遇到承臺底部樁基數(shù)量較多以及橋梁單聯(lián)跨數(shù)較多時(shí)。對土彈簧的計(jì)算及對模型得到約束施加較為繁瑣，這較大程度的降低了計(jì)算效率。本文所闡述的第二種計(jì)算方法為midas與其他計(jì)算軟件相結(jié)合，摘取軟件計(jì)算中樁基模擬后所產(chǎn)生的樁頂剛度數(shù)值施加于midas計(jì)算模型中承臺底。進(jìn)而對模型進(jìn)行計(jì)算。

本方法在計(jì)算所依據(jù)的方法依然為公路規(guī)范中所采用的“m法”，在計(jì)算時(shí)根據(jù)地勘資料詳細(xì)輸入各個(gè)圖層的力學(xué)參數(shù)，并如上文所提針對圖層m值進(jìn)行合理取值。圖層參數(shù)輸入完成后，運(yùn)行軟件計(jì)算，軟件將會(huì)快速計(jì)算出樁頂即承臺底部的集中剛度。在midas模型計(jì)算中，承臺底約束施加類型采用約束中的一般約束，即可自定義承臺底各個(gè)方向的約束剛度，只需將軟件中所提出的剛度數(shù)值如實(shí)輸入即可。Midas模型承臺底約束定義完成后進(jìn)行模型計(jì)算。計(jì)算完成后進(jìn)行查詢墩頂在地震工況下的水平力，得出H＝2687kN。與土彈簧剛度模擬后計(jì)算結(jié)果相對比，計(jì)算結(jié)果相差較小。并在此情況下對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)偏于安全。

3 結(jié)論

本文通過對midas模型中承臺底約束的不同模擬方法分別進(jìn)行計(jì)算并對比結(jié)果得出以下結(jié)論：

1）在對承臺底樁基礎(chǔ)進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，要按照地勘資料對樁基進(jìn)行實(shí)際模擬，并對各個(gè)圖層m值進(jìn)行合理取值，m值大小將很大程度上影響計(jì)算精度；

2）通過兩種方法計(jì)算對比得出，midas與樁頂剛度計(jì)算軟件相結(jié)合，計(jì)算將會(huì)較為簡便，本文建議采用此種方法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算，將會(huì)較大的減少了橋梁設(shè)計(jì)周期；

參考文獻(xiàn):

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[3]鄧曉燕.樁—梁—地基土共同作用分析[D].湖南大學(xué),2002.

作者簡介：陳良田(1988-)，男，山東人，工學(xué)碩士，助理工程師，研究方向?yàn)椋簶蛄航Y(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)。