MIDAS橋梁計算中樁基模擬方法的探討

陳良田（天津市市政工程設計研究院, 天津300457）

MIDAS橋梁計算中樁基模擬方法的探討

陳良田
（天津市市政工程設計研究院, 天津300457）

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

關鍵詞：樁土作用；“m法”；樁基礎模擬

橋梁結構空間建模計算中，樁基結構的模擬方式會很大程度的影響承臺底的約束剛度。承臺底約束剛度數值的變化將導致橋梁上部結構同種工況下內力和位移數值有差異。尤其在現階段對地震工況下對橋梁的設計，墩頂地震水平力數值對其更為敏感。本文通過對3x30等截面現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。通過兩種方法計算墩頂水平力結果的對比研究，給出在橋梁設計中結構計算的建議。

1 midas模型模擬土彈簧結構計算

工程概況：3x30m等截面現澆箱梁，橋寬13.0m，墩柱采用花瓶墩，支座采用鉛芯隔震橡膠支座，中墩樁基礎為4顆Φ1.5m直徑混凝土灌注樁。橋梁結構midas模型如圖1。

橋梁全橋模型采用梁單元進行建模，主梁與墩柱的連接采用模型中的減隔震支座單元進行實際剛度模擬。承臺以下樁基礎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力和位移計算，國內外學者提出了許多方法。目前較為普遍的是樁側土采用文克爾假定，通過求解撓曲微分方程，再結合力的平衡條件，求出樁各個部位的內力和位移，該方法稱為彈性地基梁法。以文克爾假定為基礎的彈性地基梁法從土力學觀點看是不夠嚴密的，但基本概念明確，方法簡單，所得結果一般較為安全，在國內外工程得到廣泛應用。我國公路、鐵路樁基礎的設計中常用的“m法”就屬于此種方法，本文第一種計算方法就是根據“m法”來確定樁側的土彈簧剛度，對橋梁結構的樁基進行模擬。

在計算中樁側的土彈簧等效剛度由公式：K＝mzb0h0進行計算。其中m為地基水平向抗力系數；z為自地面起深度；b0為樁的等效寬度；h0為樁基單元劃分長度。橋梁結構模型采用反應譜分析進行E2地震工況下的計算，模型后處理后查詢橋梁結構墩頂在地震工況下所產生的水平力。由于兩個中墩均采用減隔震支座，支座型號一致，故模型計算得出兩墩頂相同的地 震水平力H；H＝2598kN。

上文所述關于midas中采用該軟件自身土彈簧模擬建模，其中有幾點需特別注意：首先，“m法”中m的取值往往在地勘資料中是沒有具體數值的，一般根據地層和設計人員的經驗從規范查得，m值的取值對剛度的計算結果影響較大，取值的把握應該在計算中特別注意；其次，由于實際設計樁長往往較長，而根據樁基的實際內力彎矩曲線可知，較下面的樁的剛度對承臺底部抗推剛度影響較小，故在模型計算中沒有必要對全部樁長進行模擬，有利于節省計算周期。

2 midas計算中承臺底約束采用集成剛度進行約束

上文中所提到的采用土彈簧剛度進行樁基模擬的方法，在遇到承臺底部樁基數量較多以及橋梁單聯跨數較多時。對土彈簧的計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算效率。本文所闡述的第二種計算方法為midas與其他計算軟件相結合，摘取軟件計算中樁基模擬后所產生的樁頂剛度數值施加于midas計算模型中承臺底。進而對模型進行計算。

本方法在計算所依據的方法依然為公路規范中所采用的“m法”，在計算時根據地勘資料詳細輸入各個圖層的力學參數，并如上文所提針對圖層m值進行合理取值。圖層參數輸入完成后，運行軟件計算，軟件將會快速計算出樁頂即承臺底部的集中剛度。在midas模型計算中，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方向的約束剛度，只需將軟件中所提出的剛度數值如實輸入即可。Midas模型承臺底約束定義完成后進行模型計算。計算完成后進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算結果相對比，計算結果相差較小。并在此情況下對橋梁結構進行設計偏于安全。

3 結論

本文通過對midas模型中承臺底約束的不同模擬方法分別進行計算并對比結果得出以下結論：

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

2）通過兩種方法計算對比得出，midas與樁頂剛度計算軟件相結合，計算將會較為簡便，本文建議采用此種方法進行橋梁結構計算，將會較大的減少了橋梁設計周期；

參考文獻:

[1]趙元一.地震作用下樁—土—框架結構體系的數值模擬及分析[D].合肥工業大學,2006.

[2]馬志濤.水平荷載下樁基受力特性研究綜述[J].河海大學學報(自然科學版),2006(05).

[3]鄧曉燕.樁—梁—地基土共同作用分析[D].湖南大學,2002.

作者簡介：陳良田(1988-)，男，山東人，工學碩士，助理工程師，研究方向為：橋梁結構工程設計。