軟土環境考慮樁土作用下的有限元模型分析

(廣州大學 廣東 廣州 510000)

我國沿海地區廣泛分布著軟弱土層，因而在設計深厚軟土地基上高速鐵路橋梁基礎形式時，樁基礎成為了優先考慮對象。不同的有限元模型分析對車橋耦合振動的影響不同。張媛[1]建立了汽車-橋梁-列車耦合系統的影響，通過約束方程將3個子系統進行耦合。李忠獻[2]將群樁基礎簡化為彈性地基梁，以彈簧和阻尼器模擬土介質的動力特性，建立了樁基和土體模型，并對混凝土連續鋼構橋進行了數值分析。李小珍[3]針對軟土地基處的某高速鐵路連續剛構橋，建立了包含樁基在內的整橋有限元模型，進行動力仿真分析，得到考慮樁-土作用對上部橋梁結構振動特性的影響。

一、橋梁結構模型

本文在建立橋梁有限元模型時采用空間梁單元作為橋梁模型基礎單元，橋墩及梁體采用等截面空間梁單元模擬，梁體質量計為一致質量，并計入扭轉慣性矩。橋梁以32米標準跨度、單室箱型截面簡支梁橋為例建立橋梁模型，其梁、墩均采用C30強度等級混凝土；支座采用板式橡膠支座模擬。基礎為3×4群樁基礎，采用C30混凝土灌注樁，樁長14m，樁徑為1000mm。

二、列車模型的參數影響

車橋耦合動力分析中，車輛模型的選取將直接影響橋梁結構的加載方式，所得到的加載效應也不相同。本章分別建立了三種車輛模型來比較不同車輛模型所得結果之間的差別：

a)單輪對簡化模型；b)兩軸一系懸掛；c)四軸二系懸掛；

為加快運算速度，本章節將整列列車模型簡化為一節車廂模型過橋，車速為200km/h，橋梁模型為單跨簡支梁橋，其他模型參數參照第四章。在只改變車輛模型這一參數的基礎下，探討比較不用車輛模型對樁土作用下車橋耦合振動的影響。

三種車輛模型下橋梁跨中豎向加速度動力時程響應曲線如圖1所示，結果數值比較如表1所示。

圖1 不同車速下橋梁的動力響應

表1 三種車輛模型計算數值結果

注：以上差值均是以四軸二系模型計算結果作為參考值。

三、結論

由上述計算結果可知：

(1)單輪對簡化模型、兩軸一系懸掛模型和四軸二系懸掛模型這三種車輛模型過橋時，橋梁跨中豎向位移與跨中豎向加速度時程曲線變化趨勢大致相同，說明建立的三種車輛模型正確，計算結果基本可信。

(2)與四軸二系車輛模型相比較，二軸一系車輛模型下橋梁跨中豎向位移偏差僅為1.96%，滿足計算精度要求，但是橋梁跨中豎向加速度偏差為182%，相差很大，無法滿足精度要求。

(3)單輪對車輛模型計算結果與另兩種車輛模型相差較大，豎向位移和加速度與四軸二系車輛相差分別為62.75%和270%。主要原因在于單輪對模型將車輛與橋梁之間受力點簡化為1個點，車輛重量全部作用在一個點上，必然使得計算結果出現較大偏差。

四軸二系懸掛車輛模型充分考慮了車身、輪對、轉向架以及二系彈簧的剛度和阻尼等參數的影響，計算結果精度高。因此，本文后面計算中車輛模型均采用四軸二系懸掛車輛模型。