连续刚构桥考虑桩土效应的动力分析

摘要：本文运用有限元软件MIDAS/CIVIL研究某（115+200+115m）预应力混凝土连续刚构桥，对比分析了在不考虑桩土效应和考虑桩土效应时，对其连续刚构桥动力特性的影响。分析表明是否考虑桩土效应对连续刚构桥的频率与振型影响较大，从实践经验来看，考虑桩土效应的频率值与振型更符合实际情况。

关键词：连续刚构桥；桩土效应；动力特性

1引言

随着交通运输事业的发展以及城市现代化建设的加快，桥梁在日益繁忙的公路和城市交通中显得尤为重要。桥梁除承受自重等静载以外，在车辆动载作用下，会发生车桥共振现象，此外，还可能遭遇地震，风和冲击等动力荷载作用。因此，有关动力特性和动力响应分析是深入研究桥梁的一个重要方面[1]。

本文运用有限元软件MIDAS/CIVIL研究某（115+200+115m）预应力混凝土连续刚构桥，对比分析了在不考虑桩土效应和考虑桩土效应时，对其连续刚构桥动力特性的影响。

2桥梁动力特性与桩土效应

2.1桥梁动力特性

桥梁动力特性包括结构在发生自由振动时的固有频率、振型和阻尼系数等，是结构本身的固有参数，主要由结构形式、边界条件、桥梁刚度、质量分布及材料性能等因数决定，是进行结构瞬态和稳态动力反应分析所需的重要内容[2~4]。

2.2 桩土效应

桥梁的振动分析研究中，考虑桩-同作用时，在力学图式中作如下处理：

假定土介质是线弹性的连续介质，等代土弹簧刚度由土介质的动力m值计算。“m-法”是我国公路桥梁设计中常用的桩基静力设计方法[5]。在此采用的动力m值最好以实测数据为依据。由地基比例系数的定义可表示为

式中： 为土体对桩的横向抗力； 为土层的深度； 为桩在深度 处的横向位移（即该处土的横向变位值）。

由此，可求出土弹簧的刚度为：

式中： 为土层的厚度； 为该土层在垂直于计算模型所在平面的方向上的宽度； 为各土层的中心到地面的距离； 为地基土的比例系数， 值见下表。

3工程实际对比

3.1工程概况

某水道特大桥采用115+200+115m预应力混凝土连续刚构，箱梁采用C55砼。单幅桥宽16.5m，采用单箱单室直腹板断面，其中箱宽8.0m，两侧翼缘板悬臂宽4.25m。箱梁采用三向预应力体系。主航道主桥箱梁根部梁高12m，跨中及边跨端部梁高4.5m，箱梁梁高变化采用1.6次抛物线。箱梁腹板束，顶、底板纵向束全部采用φS15.2-15高强度低松弛钢绞线，均采用两端张拉。

桥墩采用空心双薄壁墩，双肢墩外距为10m，顺桥向尺寸2.2m，壁厚0.6m。横桥向尺寸为9.0m，墩柱采用C50砼。承台采用整体式承台，承台顶标高位于-4.0m，顺桥向尺寸15.5m，横桥向尺寸18.5m，厚度5.0m，承台采用C30砼。基础采用9根直径为2.5m的嵌岩桩，桩基础采用C30水下砼。

表2列出了不考虑桩土效应与考虑桩土效应时候的1阶~4阶的频率值。从 表中可以看出，考虑桩土效应时的频率比不考虑桩土效应时的频率要低，如理论1阶频率就相差23.7%，这是由于考虑了桩土效应作用，边界约束没有刚性约束强，所以频率降低。从实践经验来看，考虑桩土效应的频率值更符合实际情况。

图2和图3分别是不考虑桩土效应的桥梁振型图和考虑桩土效应的桥梁振型图。从图中可以看出，不考虑桩土效应时，1阶振型为竖桥向，2阶振型为横桥向；考虑桩土效应时，1阶振型为横桥向，2阶振型为竖桥向。所以在桥梁动力分析中考虑桩土效应是必要的，且更符合实际情况。

4结论

结果分析表明是否考虑桩土效应对连续刚构桥的频率与振型影响较大，从实践经验来看，考虑桩土效应的频率值与振型更符合实际情况。

注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开