基于桩土相互作用的简支梁桥抗震设计研究

基于桩土相互作用的简支梁桥抗震设计研究

邹思敏  

武昌首义学院 430064

摘要：进行基于桩土相互作用的简支梁桥抗震设计研究，需了解桩土相互作用、简支梁桥的基本定义，后续结合实际案例展开抗震设计，在确定桥梁抗震模型的基础上完成设计工作，应用于实践中，检验设计成果，得出可靠结论。

关键词：桩土相互作用；简支梁桥；抗震设计

引言：进入新时期以后，桥梁抗震性能受到了更多的关注，而在相关研究中显示，桩土相互作用会影响到桥梁抗震性能。基于此，有必要分析桩土作用进程，完善简支梁抗震设计环节，提升抗震效果，保证桥梁安全与可持续应用。

1主要概念阐释

1.1桩土相互作用

桩土相互作用，指的是桩体、土体间的力学相互作用，其中桩是一种细而长的柱形结构，多布置在地基工程中，起到防止沉降、提供支撑的作用；土体作为复杂的多相杂质，由空气、水、颗粒、微生物、有机物等组成。因土体、桩体间会接触、摩擦，并由此产生相互作用力，降低桩的稳定性、承载能力，且会影响到周围土体位移与变形。

1.2简支梁桥

简支梁桥，指的是上部结构由两端简单支承在墩台上的主要承重梁组成的桥梁，是目前应用最为广泛的一种桥体，因假设方面、构造简单、成本低、不受温度影响等因素而受到欢迎。

2案例分析

结合国内某桥梁a展开实际研究。搜集桥梁a相关信息，对桥梁a展开建模分析，已知该桥梁为3—20m简支小箱梁桥，宽度31m、桥墩直径1.5m、高度8m，桩基直径1.8m。桩长均值35m，支座为板式橡胶结构。

3基于桩土相互作用的简支梁桥抗震设计

3.1桥梁建设场地分析

明确场地结构，关注以下要点：①结合《公路桥梁抗震设计细则》（以下简称《细则》）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（以下简称《规范》）等规范，分析桥梁类型，为典型的B类桥梁，再结合《中国地震动态参数区划图》，明确桥梁建设区域基本情况，属于Ⅱ类场地、0.4s的分布特征周期，抗震设防烈度8度（可防御8度的地震破坏烈度）、峰值加速度0.3g。②结合桥梁概况、抗震设计细则等因素设定基准阻尼比：0.05。引入E1（50年超越概率50%）、E2（50年超越概率10%）地震作用等级。③在明确以上各项参数后，参考《细则》分别获取E1、E2地震作用下水平加速度反应谱峰值为0.29g、0.88g，再进行不同地震作用下加速度反应谱设计、绘制。

3.2搭建模型

搭建模型以掌握基于桩土相互作用的简支梁桥整体结构，进行各类参数分析，并展开抗震设计。把握以下关键因素：①分析软件准备：搭建模型时，引入有限元分析软件MSC Nastran，在线性和非线性领域对桥梁展开静态、动态和热分析，并辅以自动化的结构优化和获奖的嵌入式疲劳分析技术，且能确保桥梁结构系统具有必要的强度、刚度和寿命，以防止可能危及桥梁结构功能和安全的失效（过高的应力、共振、屈曲或有害变形）[1]。②弹性支撑模拟：整合弹性连接边界条件，筛选关键参数，模拟简支梁桥支座，再用弹性支撑模拟桩土相互作用过程，其他如桩基、桥墩、盖梁、主梁等组成单位，通过空间杆系单位模拟。③桩土相互作用过程分析：为简化研究、计算环节，可结合抗震设计标准与基础要求，简化桩基础结构、截面形状间产生的相互作用力，其中在桩基础受力计算时，按照《规范》中列举的桩基础等效宽度计算条例，根据桩基础等效宽度展开计算。④等代土弹簧刚度计算：在得到桩基础计算宽度后，进行地基水平抗力系数查找，并按照如下式1所示方法计算等代土弹簧刚度：

    （公式1）

其中Ki指的是地基土等代土弹簧刚度，单位：N/mm；b指的是桩基础对应的计算宽度，单位：mm；Ci指的是第i层地基土计算地基水平抗力系数，可按照下式2计算：

(公式2)

其中C1、C2分别指的是地基土顶部、底部地基水平抗力系数。

3.3抗震结构设计

进行抗震结构设计时，需关注以下要点：①在抗震模型搭建、岩层地质勘探进程中，获取桩基础对应的土层类型，得出桥梁a土层结构分布，基本上皆是半坚硬状态的角砾、黏性土，查取《规范》中的相关参数，角砾、黏性土m值分别是55000kN/m、25000N/m，经测量岩层厚度为5m，按照以下公式求出各土层对应的弹簧刚度：

（公式3）

其中Ks指的是各土层弹簧刚度，单位：N/mm；a为土层的厚度，单位：m；b1为该土层在垂直于计算模型所在平面的方向上的宽度，单位：mm；m为地基土的比例系数；z为各层土的中心到地面的距离，单位：mm。②搭建弹性支撑单元：通过节点弹性支撑分析各个作用节点不同方向对应的自由度，搭建弹性支撑单元，包括两个部分：线弹性支撑单元、转角弹性支撑单元，前者用于支撑三个方向平动自由度，后者用于约束三个方面转动自由度[2]。③引入《规范》中的“m”算法，结合上述计算得出的土弹簧刚度，当作桩土相互作用弹性支撑的刚度，在进行抗震结构设计时，在桩身模型对应节点分别输入X、Y方向的线弹性刚度，再进行桩底节点边界固结，模拟桩土相互作用进程中土地对桩基侧向约束的模拟，分析桩土相互作用的“m”法抗震结构模型在实际抗震中的作用。④为在系统下的对比、分析中得出桩土相互作用对抗震结构设计的影响，后续可搭建墩底固结模型、桩基础模型，辅助分析过程。

3.4抗震结果分析

从以下数个方面展开结果分析：①在反应谱分析法下，获取E1、E2地震纵向作用下简支梁主梁位移响应结果，以墩底固结模型来说，在E1地震作用时，获取顺桥向位移、横桥向位移4.43mm、2.12mm；在E2地震作用时，获取顺桥向位移、横桥向位移12.61mm、7.07mm；在桩基础模型方面，在E1地震作用时，获取顺桥向位移、横桥向位移21.75mm、11.88mm；在E2地震作用时，获取顺桥向位移、横桥向位移45.89mm、26.33mm[3]。②从以上数据中可知，发生地震时，横桥向位移小于顺桥向位移，代表横桥向刚度更大，但就轴力、弯矩、剪力方面来说，墩底固结模型受到的影响更小，然而桩土相互作用模型在建模时将地基土刚度考虑在内，故而基于桩土相互作用模型的抗震加固设计更具可靠性。

结语：综上，文章就基于桩土相互作用的简支梁桥抗震设计展开了综合论述与分析，应给以给予其足够的重视，明确以上设计进程的优势与不足，发扬优势、弥补不足，增强桥梁抗震性能。

参考文献：

[1]余小江.极矮墩简支梁桥抗震加固设计探讨[J].交通世界（下旬刊）,2022(11):108. 

[2]白维刚,王军文,邢晨鹏,等. 铁路不等跨简支梁桥组合减震系统减震机理及影响参数研究[J]. 振动与冲击,2022(2):208-216.

[3]张永亮,王春阳,刘正楠,等.高速铁路多跨简支梁桥纵向地震力分布规律[J].铁道工程学报,2022(7):55-60.

本文基于湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目：基于桩-土相互作用效应的桥梁结构抗震风险分析，项目编号B2019315