桥梁桩基模拟的简化方法及应用

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1、2013年2月第2期城市道桥与防洪桥梁结构47桥梁桩基模拟的简化方法及应用刘中田(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海市200092)摘要：为降低桥梁桩基模拟的计算工作量，同时又能直观反映出桩基的受力特点，采用柔度系数等代法推导给出一种简化的桩基模拟方法，可适用于弹性摩擦桩及嵌岩桩基础，并可用于桥梁的平面及空间问题分析。最后对某高桩承台进行抗船撞实例分析，分别采用简化方法和比拟杆件法对承台顶位移进行对比，误差在5％左右；对比结果也表明：在桩一土结构相互作用分析时，桩基竖向刚度对结构整体受力的影

2、响较为显著，应引起桥梁设计人员的重视。关键词：桥梁工程；桩基模拟；柔度系数等代；简化方法中图分类号：U443．15文献标识码：A文章编号：1009—7716(2013)02一Oo47一o40前言对于弯梁桥、刚构桥、斜拉桥等桥型结构需要考虑下部桩基的弹性约束作用，才能求解体系的真实内力和位移。因此如何较为准确、简便的模拟桩一土相互作用，是广大桥梁设计人员需要面对的一个技术难题。目前工程上常用的桩基模拟方法有刚度系数法、比拟杆件法、等代梁单元法【卜。】。以上三种方法均需先求解桩一土相互作用的刚度矩阵(或柔

3、度矩阵)，若不借助专门的计算程序很难实现。本文通过理论推导，给出了一种便于手算、易于直观理解的简化模拟方法，并通过实际算(a)原型桩基础(b)刚度系数法例对简化计算方法的精度进行了验证，该方法可以满足工程需要。1桩基的模拟方法当仅考虑平面问题时，桥梁下部桩基与土的相互作用形式可以用刚度矩阵的形式表示：lK：0lK=l0K0l(1)lK阮0K日l刚度矩阵K中存在四个相互独立的刚度系数【lJ：K(水平冈帔系数)、K(竖直刚摩系数)、(转动(c)比拟杆件法(d)等代梁单元法刚度系数)、棚(K弯剪刚度系数)。

4、等效的计算模图1基础模拟图型能否准确模拟桩基与土的相互作用，关键在于Midas、桥梁博士等软件预留有弹性边界条件的接模型能否反映上述四个刚度系数。目前工程上常口，可以将四个刚度系数输入到计算模型中。但也用的模拟方法有以下三种：(1)刚度系数法；(2)比有一些计算程序未提供弹性边界条件接口，或者拟杆件法；(3)等代梁单元法，见图1。接口参数不全(如QJX未提供弯剪刚度参数)，就1．．刚度系数法无法精确应用此方法。该方法主要应用于通用的有限元程序中，如1．2比拟杆件法比拟杆法将桩基模拟为一个墩底固结的双柱

5、收稿日期：2012-08—31式框架，其横梁的抗弯刚度为无穷大，框架柱截作者简介：刘中田(1980~)，男，河南西华人，工程师，从事道面宽为o、截面高为b，柱高为h、柱间距为C，共四路桥梁设计工作。48桥梁结构城市道桥与防洪2013年2月第2期个参数对应于四个刚度系数，可建立正定线性方程组进而求出唯一解。现行桥梁设计规范中给出了比拟结构参数的详细计算公式。双柱式框架只适用于二维平面问题，对于空间问题由于存在七个独立的刚度系数(忽略扭转刚度)，理论上则需要具有七参数的比拟结构来模拟，目前尚未见到有实际工

6、程应用。1．3等代梁单元法等代梁单元法采用单个空间梁单元与一根竖(a)群桩基础(b)简化模型向弹簧串联的方式来模拟下部结构，等代结构中图3群桩模拟图共有梁单元截面宽度、截面高度、单元长度及竖向2．2桩基等代参数的推导弹簧刚度四个参数，从而与桩基础建立唯一的等由皤侨耀出i基与差5JTGD63—2007)代关系。本方法也仅适用二维平面问题。附录P，求出单根桩在地面线(或局部冲刷线)处的以上三种方法均需先求解桩一土相互作用的柔度系数VH∽H、、6、6Ⅱ下：刚度矩阵，然后再进行等代计算，对于大多数桥梁=(2)

7、设计人员来说既复杂又不易直观判断。2简化计算方法6(3)2．1简化计算思路(4)本文对等代梁单元法进行简化处理，将每根桩均等代为与桩基直径相同的梁单元同竖向弹簧=鲁(5)串联的形式，对单桩和群桩均适用，见图2、图3，因此本方法可用于平面及空间问题分析。由于等上述公式中系数c删、c删、可由规范查表计算得出，的计算与规范相同。代结构中只有桩基等代长度和竖向弹簧刚度对于等代结构(见图4)，也可求出在地面线两个参数，从理论上讲简化后的模型与桩基础并(或局部冲刷线)处分别作用单位水平力和单位弯不能完全等代。但如

8、果等代误差能控制在工程可距时的柔度系数：接受的范围之内，本方法就不失为一个可行的解决途径。下文将重点介绍和的推导过程，并／—～＼／l、对本方法进行误差分析。田4爵t．c葡驾lE田缶(6)_；；：；=缶(7)(a)单桩基础(b)简化模型L(8)图2单桩模拟图式(2)与式(6)联立．可求出一个等代长摩2013年2月第2期城市道桥与防洪桥梁结构49对于嵌岩桩，当砒≥2．5时C值为1．82，L。、L2、L1-。式(3)与式(7)，式(4)与式(8)联立，，相对于