MIDAS桥梁计算中桩基模拟方法的探讨

关键词：桩土作用；“m法”；桩基础模拟 

　　桥梁结构空间建模计算中，桩基结构的模拟方式会很大程度的影响承台底的约束刚度。承台底约束刚度数值的变化将导致桥梁上部结构同种工况下内力和位移数值有差异。尤其在现阶段对地震工况下对桥梁的设计，墩顶地震水平力数值对其更为敏感。本文通过对3x30等截面现浇箱梁地震工况下的midas抗震分析；一种方法通过桩土弹簧对桩体进行模拟，另一种通过桥易软件算出桩顶刚度施加到midas模型中墩底约束。通过两种方法计算墩顶水平力结果的对比研究，给出在桥梁设计中结构计算的建议。 

　　1 midas模型模拟土弹簧结构计算 

　　工程概况：3x30m等截面现浇箱梁，桥宽13.0m，墩柱采用花瓶墩，支座采用铅芯隔震橡胶支座，中墩桩基础为4颗Φ1.5m直径混凝土灌注桩。桥梁结构midas模型如图1。 

　　桥梁全桥模型采用梁单元进行建模，主梁与墩柱的连接采用模型中的减隔震支座单元进行实际刚度模拟。承台以下桩基础采用土弹簧约束模拟（图2）。桩基在轴向和横向荷载作用下桩身的内力和位移计算，国内外学者提出了许多方法。目前较为普遍的是桩侧土采用文克尔假定，通过求解挠曲微分方程，再结合力的平衡条件，求出桩各个部位的内力和位移，该方法称为弹性地基梁法。以文克尔假定为基础的弹性地基梁法从土力学观点看是不够严密的，但基本概念明确，方法简单，所得结果一般较为安全，在国内外工程得到广泛应用。我国公路、铁路桩基础的设计中常用的“m法”就属于此种方法，本文第一种计算方法就是根据“m法”来确定桩侧的土弹簧刚度，对桥梁结构的桩基进行模拟。 

　　在计算中桩侧的土弹簧等效刚度由公式：K=mzb0h0进行计算。其中m为地基水平向抗力系数；z为自地面起深度；b0为桩的等效宽度；h0为桩基单元划分长度。桥梁结构模型采用反应谱分析进行E2地震工况下的计算，模型后处理后查询桥梁结构墩顶在地震工况下所产生的水平力。由于两个中墩均采用减隔震支座，支座型号一致，故模型计算得出两墩顶相同的地 震水平力H；H=2598kN。 

　　上文所述关于midas中采用该软件自身土弹簧模拟建模，其中有几点需特别注意：首先，“m法”中m的取值往往在地勘资料中是没有具体数值的，一般根据地层和设计人员的经验从规范查得，m值的取值对刚度的计算结果影响较大，取值的把握应该在计算中特别注意；其次，由于实际设计桩长往往较长，而根据桩基的实际内力弯矩曲线可知，较下面的桩的刚度对承台底部抗推刚度影响较小，故在模型计算中没有必要对全部桩长进行模拟，有利于节省计算周期。 

　　2 midas计算中承台底约束采用集成刚度进行约束 

　　上文中所提到的采用土弹簧刚度进行桩基模拟的方法，在遇到承台底部桩基数量较多以及桥梁单联跨数较多时。对土弹簧的计算及对模型得到约束施加较为繁琐，这较大程度的降低了计算效率。本文所阐述的第二种计算方法为midas与其他计算软件相结合，摘取软件计算中桩基模拟后所产生的桩顶刚度数值施加于midas计算模型中承台底。进而对模型进行计算。 

　　本方法在计算所依据的方法依然为公路规范中所采用的“m法”，在计算时根据地勘资料详细输入各个图层的力学参数，并如上文所提针对图层m值进行合理取值。图层参数输入完成后，运行软件计算，软件将会快速计算出桩顶即承台底部的集中刚度。在midas模型计算中，承台底约束施加类型采用约束中的一般约束，即可自定义承台底各个方向的约束刚度，只需将软件中所提出的刚度数值如实输入即可。 

　　Midas模型承台底约束定义完成后进行模型计算。计算完成后进行查询墩顶在地震工况下的水平力，得出H=2687kN。与土弹簧刚度模拟后计算结果相对比，计算结果相差较小。并在此情况下对桥梁结构进行设计偏于安全。 

　　3 结论 

　　本文通过对midas模型中承台底约束的不同模拟方法分别进行计算并对比结果得出以下结论： 

　　1）在对承台底桩基础进行模拟计算时，要按照地勘资料对桩基进行实际模拟，并对各个图层m值进行合理取值，m值大小将很大程度上影响计算精度； 

　　2）通过两种方法计算对比得出，midas与桩顶刚度计算软件相结合，计算将会较为简便，本文建议采用此种方法进行桥梁结构计算，将会较大的减少了桥梁设计周期； 

　　参考文献： 

　　[1]赵元一.地震作用下桩―土―框架结构体系的数值模拟及分析[D].合肥工业大学，2006. 

　　[2]马志涛.水平荷载下桩基受力特性研究综述[J].河海大学学报（自然科学版），2006（05）. 

　　[3]邓晓燕.桩―梁―地基土共同作用分析[D].湖南大学，2002.