樁土作用對連續剛構橋橋墩受力的影響分析

康耿耿

（天津市市政工程設計研究院南方分院，廣東 深圳 518053）

1 概述

隨著我國交通行業的快速發展，預應力混凝土連續剛構橋得到了廣泛應用。連續剛構體系除了保持連續梁的各個優點外，墩梁固結還節省了大型支座的昂貴費用，減少了墩及基礎的工程量，并改善了結構在水平荷載作用下的受力性能[1]。由于其固有的優勢——結構的整體性較好、用量省，且能較好地適應混凝土收縮徐變和溫度變化引起的位移等，在眾多橋型方案比選中占據優勢。在對大跨預應力混凝土連續剛構橋的設計時，設計參數的選擇在整個設計過程中尤為關鍵，相關參數的合理性直接影響著結構受力分析的準確性。因此在建模分析時對設計參數的選用有著重要的實際應用價值。比如說樁-土-結構的相互作用等。本文將以某主跨100 m的連續剛構橋為研究背景，運用MIDAS軟件建立整體計算模型，通過對考慮樁土效應與不考慮樁土效應的計算結果進行對比，對連續剛構橋橋墩的設計提出可參考的建議。

2 樁土相互作用理論

土與結構相互作用的研究已有六七十年的歷史，特別是近30年來，計算機技術的發展為其提供了有力的分析手段，從研究成果的歸類來看，理論上主要有離散理論和連續理論及兩者的結合，解決的方法一般有集中質量法、有限元法、邊界元法和波動場法。

20世紀60~70年代，美國學者J.Penzien等在解決泥沼地上大橋動力分析時提出了集中質量法，目前已在國內外得到了廣泛的應用。集中質量法將橋梁上部結構多質點體系和樁-土體系的質量聯合作為一個整體，來建立整體耦聯的地震振動微分方程組進行求解。該模型假定樁側土是Winkler連續介質。以半空間的Mindlin靜力基本解為基礎，將樁-土體系的質量按一定的厚度簡化并集中為一系列質點，離散成一理想化的參數系統，并用彈簧和阻尼器模擬土介質的動力性質，形成一個包括地下部分的多質點體系。

土彈簧剛度的確定除考慮使用較為精確的有限元或邊界元方法外，較為簡便的方法是采用Penzien模型中提供的土彈簧計算方法或參照線性規范中土彈簧的計算方法。《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63—2007）用的“m 法”計算方法和參數選取方面比Penzien的方法要簡單和方便，且為國內廣大設計人員所熟悉。“m法”的基本原理是將樁作為彈性地基梁，按Winkler假定（梁身任一點的土抗力和該點的位移成正比）求解。

采用“m法”分析樁土作用時可按照以下步驟進行：

（1）將樁長范圍內的土層根據地質柱狀圖進行分層，計算每層土的彈簧剛度系數。

（2）合理劃分樁單元，確保每層土的中間位置有一個對應的節點，便于邊界條件的施加。

（3）在樁身節點位置設置水平土彈簧[2]。

在MIDAS程序中土彈簧的模擬可以采用節點彈性支撐或一般連接單元來進行模擬，本文模型的計算采用土彈簧模擬的方法進行，土彈簧剛度、樁的計算寬度參考《公路橋涵地基與基礎設計規范》的相關規定進行。

3 工程概況

本文以南方某市一座主跨布置為60m+100m+60 m的預應力混凝土連續剛構橋為例，該橋上部結構分幅設計，上部結構箱梁頂板全寬11.5 m，采用單箱單室斷面，其中底板寬5.5 m，兩側翼緣板懸臂長3.0 m。主梁根部梁高H根=5.8 m，跨中及邊跨端部梁高 H中=2.8m，H根/L＝1/17.2，H中/L=1/35.7。主梁梁高變化采用二次拋物線，變化范圍為懸澆段末端至墩身外側，梁高變化方程為H=2.8+0.001 316 x2，主梁頂板設置2.0%的單向橫坡，橫坡由箱梁頂板斜置形成，底板保持水平。箱梁頂板標準段厚度為28 cm，端部加厚到50 cm；箱梁底板厚度為28~100 cm，箱梁懸澆梁段底板上、下緣線按二次拋物線變化，底板厚度變化方程為D=0.28+0.000 228 1x2，0#塊底板倒角后厚度為77.3~110 cm。邊跨現澆段底板厚度向梁端由28 cm按直線變化至70 cm。箱梁腹板厚度從50 cm漸變至65 cm。主梁采用C55混凝土，三向預應力結構。主橋橋型布置圖如圖1所示，上部結構橫斷面如圖2所示。

圖2 上部結構橫斷面圖（單位：cm）

主墩采用帶圓倒角薄壁空心墩，墩身尺寸5.5m×2.5 m，橫橋向壁厚為80 cm，順橋向壁厚為60 cm。主墩采用整體式承臺，以提高橋梁的整體性能和承臺的防撞性能。承臺形狀為矩形加圓端，順橋向總寬8.6 m，橫橋向總寬24.5 m，承臺厚度3.5 m，主墩基礎采用4根D220 cm鉆孔樁。

過渡墩采用帶圓倒角薄壁空心墩，墩身尺寸5.5 m×2.0 m，橫橋向壁厚為50 cm，順橋向壁厚為50 cm。過渡墩承臺為矩形加圓端，順橋向總寬6.6 m，橫橋向總寬9.0 m，承臺厚度2.5 m，過渡墩基礎采用4根D160 cm鉆孔樁。

主墩橫斷面如圖3所示，過渡墩橫斷面如圖4所示。

圖3 主墩橫斷面（單位：cm）

圖4 過渡墩橫斷面（單位：cm）

4 模型建立及相關參數的選用

分析樁土效應對于橋墩受力的影響，采用MIDAS分別建立了不考慮樁土效應和考慮樁土效應的兩種模型，如圖5所示。當考慮樁土效應時，全橋結構共有416個節點、385個單元，樁土作用按照規范規定的“m法”進行模擬；當不考慮樁土作用時，在橋墩底約束全部自由度。

圖5 MIDAS軟件建立模型

橋位所在場區的抗震設防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1g，抗震設防類別為丙類。場地為Ⅱ~Ⅲ類建筑場地，地震反映譜特征周期Tg為0.35 s。根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011），抗震設計方法為A類，采用反應譜法進行E1和E2兩階段抗震設計，同時滿足結構在強度和延性兩方面的要求，并分別考慮水平順橋向和水平橫橋向的地震作用。設防目標為：E1地震作用下，一般不受損壞或不需修復可繼續使用；E2地震作用下，應保證不致倒塌或產生嚴重結構損傷，經臨時加固后可維持應急交通使用。對于混凝土梁橋、拱橋的阻尼比不宜大于0.05，因此在這里取阻尼比為0.05。

5 計算結果及分析

通過提取主墩不同模型在E1+恒載作用及E2+恒載作用下的內力情況，橋墩內力值見表1和表2。

表1 不考慮樁土作用的主墩受力情況

計算結果表明，當考慮樁土效應時，連續剛構橋主墩的控制內力均偏小。其中主墩順橋向墩底彎矩相差較大，考慮樁土作用時主墩順橋向的彎矩值僅為不考慮樁土作用時主墩順橋向彎矩值的28%；主墩墩頂彎矩相差較小，考慮樁土作用時橫橋向的彎矩值僅為不考慮樁土作用時橫橋向彎矩值的45%。

表2 考慮樁土作用的主墩受力情況

考慮樁土作用的效應后整個結構會更加偏于柔性[3]。結構的內力變化會更加復雜，但內力值會有所減小，這對結構的抗震計算是有利的。顯然，在設計過程中，當采用MIDAS模型分析連續剛構橋的橋墩受力時，不考慮樁土作用會偏于安全，但是過于的保守會造成資源的浪費，且使橋墩的尺寸偏大，不利于美觀。因此是否考慮樁土作用對橋墩的受力分析影響很大。

6 結語

本文通過對某連續剛構橋橋墩在考慮樁土效應與不考慮樁土效應的內力進行了對比，根據計算結果得出以下結論：

（1）連續剛構橋橋墩在考慮樁土效應時，主墩的內力較不考慮樁土效應時差別較大，建議在同類型的設計建模計算過程中，按照規范的相關要求考慮樁土效應。

（2）考慮樁土效應時，采用“m法”對樁進行約束時，應盡量根據樁位處的實際情況進行模擬，樁單元的劃分應與土層一致。

（3）當考慮樁土效應時，整個結構會更加偏于柔性，條件允許的情況下可考慮增加群樁基礎的規模來改善橋墩受力。