門式剛構(gòu)橋內(nèi)力分析及一些影響因素

　　摘要:本文利用midas的板、梁單元建立空間模型，根據(jù)m法模擬樁土作用。利用空間模型得到的彎矩計算結(jié)果與梁單元模型計算結(jié)果比較分析，得出相關(guān)結(jié)論：門式剛構(gòu)橋內(nèi)力比同等跨度要小，能夠有效節(jié)省材料，減低造價；同時得出樁頂附近土m值大約在8000kN/m4左右，對門式剛構(gòu)橋受力最為有利。

　　關(guān)鍵詞:門式剛構(gòu)橋，midas，m法，樁土作用

　　1前言　

　　龍眼橋位于主線與龍眼路(規(guī)劃虎門大道)相交的平交口上，橋梁標(biāo)高變化劇烈，如上部采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，則施工難度較大。為方便施工，新建龍眼橋采用現(xiàn)澆門式剛構(gòu)橋。橋跨與規(guī)劃上下游相接橋梁相同，為2孔凈9m。

　　橋梁長20.14m，跨徑組合2x9m。橋梁寬110.08m，共分為七個節(jié)段，每個節(jié)段長度10～19m不等。上部結(jié)構(gòu)梁高70cm，調(diào)平層厚10cm，橋面鋪裝為10cm瀝青砼。框架臺高約5m，臺厚70cm，基礎(chǔ)為單排樁接承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑120cm，樁基按照摩擦樁設(shè)計。設(shè)計荷載為公路I級。

　　2計算模型的建立

　　本文利用有限元midas軟件,建立兩跨門式剛構(gòu)橋的模型，并且進行內(nèi)力分析。門式剛構(gòu)橋主梁、墩臺按照板單元模擬；承臺、樁基按照梁單元模擬。計算模型中考慮了樁土作用,用彈簧模擬地基土對樁基的彈性支撐,彈簧剛度根據(jù)<<公路橋涵地基及基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范JDGD63-2007>>按“m法”計算[1]。全橋計算模型如圖1所示。                

　　3m法介紹

　　地基系數(shù)m法是國內(nèi)比較盛行的計算水平荷載樁位移和內(nèi)力的方法，被納入現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[2]、建筑樁基技術(shù)規(guī)范[3]、建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[4]和公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[1]。由于在水平荷載作用下，樁身因產(chǎn)生變位而受到周圍巖土介質(zhì)的約束反力(抗力)，m法實際上是假設(shè)樁側(cè)巖土介質(zhì)抗力系數(shù)(地基系數(shù))隨深度按比例系數(shù)m線性增長，但嚴(yán)格說m值并不只是與樁側(cè)巖土的剛度有關(guān)，還與樁的剛度、樁型、成樁方法和樁項容許位移有關(guān)。原則上，宜通過在樁身穿越的各土層中做相應(yīng)的水平載荷試驗來確定各層土的m值，但這樣做是不現(xiàn)實的，現(xiàn)有的試驗方法是根據(jù)樁在地面以下幾倍樁徑范圍內(nèi)地基土的類型和土質(zhì)條件統(tǒng)計得出的m值。由于試驗費用和時間等原因，工程界普遍是按規(guī)范給出的經(jīng)驗值取用。一些工程設(shè)計人員為計算簡便，常取一不變的比例系數(shù)m，在基坑支護樁設(shè)計[5]中也有在一定深度范圍以上取一比例系數(shù)m，而在該深度以下抗力系數(shù)取為常數(shù)。然而，實際工程樁常穿越多層地基土，而各層地基土的剛度常是不同的，它們的地基抗力系數(shù)變化規(guī)律理應(yīng)不同。因此，不針對巖土成層分布的具體情況，而做過于簡化的處理，其設(shè)計計算結(jié)果與實際情況難免會出現(xiàn)較大差異。對于多層地基情況，國內(nèi)規(guī)范[1]和文獻[6][7]大都建議采用地基比例系數(shù)換算法，即將多層地基比例系數(shù)換算為一個相當(dāng)于均質(zhì)土層時的比例系數(shù)，然后按均質(zhì)地基求解樁身位移和內(nèi)力。試驗和大量實例計算表明：靠近地面或最低沖刷線一定深度hm范圍內(nèi)的土質(zhì)好壞對于樁側(cè)土抗力大小影響很大，因此，現(xiàn)一般采用hm深度內(nèi)各土層地基系數(shù)按厚度的加權(quán)平均值m(或使換算前后地基系數(shù)面積相等)作為樁的整個埋入深度內(nèi)的m值。如圖1所示，當(dāng)樁周有3種土層時，根據(jù)換算前后地基系數(shù)圖形面積在hm深度內(nèi)相等，可得：

　　正如文獻[5]指出，上述換算存在一些問題，因此，采用現(xiàn)行規(guī)范建議的地基系數(shù)換算法，將導(dǎo)致樁身位移和內(nèi)力計算誤差較大，且實例計算表明常是偏于不安全的。因此，該文獻中提出了按樁身撓曲線加權(quán)換算法，可有效提高分析計算精度。然而，無論哪種換算法，在計算樁身不同深度處的位移和內(nèi)力時仍需按傳統(tǒng)m法根據(jù)換算深度αZ表手算。為客觀地反映成層地基的實際抗力特性，以提高設(shè)計計算結(jié)果的可靠度和計算效率，可采用有限差分法和彈性地基桿系有限單元法。

　　4.計算內(nèi)力分析及一些影響因素討論

　　4.1內(nèi)力分析

　　1.在汽車活載+日照溫差+二期荷載作用下主梁彎矩如圖3所示：　                  

　　由圖3-4可知:雙跨門式剛構(gòu)橋橋墩上部出現(xiàn)負(fù)彎矩、跨中正彎矩，跨中最大彎矩為624kN.m,同等跨徑的簡支梁按照M=ql2/8+1/4Fl計算可得1020KN,大大減少了跨中彎矩，而且樁基樁頂彎矩最大，沒有在土中擴大，彎矩相比同等臺高要小，因此能減小結(jié)構(gòu)尺寸，大大降低了工程造價。

　　4.2影響因素

　　1.樁土作用土的彈性支撐剛度對主梁影響

　　本節(jié)按照彈簧模擬地基土對樁基的彈性支撐,彈簧剛度根據(jù)<<公路橋涵地基及基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范JDGD63-2007>>按“m法”計算,m值從500~30000KN/m4分別計算主梁中跨最大彎矩、中墩最大負(fù)彎矩、邊墩最大負(fù)彎矩，其土的彈性支撐剛度影響如圖5所示:　　                     

　　由圖中可知,跨中最大彎矩、中墩最大負(fù)彎矩隨著水平彈性支撐剛度變大而變大,邊墩最大彎隨著水平彈性支撐剛度變大而變小,最后都趨于穩(wěn)定。特別是在當(dāng)?shù)鼗�水平抗力系�?shù)的比例系數(shù)m大于7500kN/m4后，水平彈性支撐剛度對主梁的影響很少。

　　2.樁基剛度對主梁的影響

　　本節(jié)調(diào)整樁徑從0.2~2m，分別計算計算主梁中跨最大彎矩、中墩最大負(fù)彎矩、邊墩最大負(fù)彎矩，其樁基剛度的影響如圖6所示:　　                         

　　由圖中可知,跨中最大彎矩、中墩最大負(fù)彎矩隨著樁基剛度變大而變大邊墩最大彎隨著樁基剛度變大而變小,最后都趨于穩(wěn)定。對于本橋當(dāng)樁徑大于1.2m后，樁徑增大基本上沒什么影響。

　　3.樁土作用土的彈性支撐剛度對樁基影響

　　本節(jié)用彈簧模擬地基土對樁基的彈性支撐,彈簧剛度根據(jù)<<公路橋涵地基及基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范JDGD63-2007>>按”m法”計算,m值從500~30000KN/m4分別計算樁基樁頂最大彎矩，其土的彈性支撐剛度影響如圖7所示:　                       

　　由圖中可知,樁頂最大彎矩隨著水平彈性支撐剛度變大而變小,最后都趨于穩(wěn)定。當(dāng)m值接近10000kN/m4,樁頂彎矩都趨于穩(wěn)定。

　　5.結(jié)論

　　(1)、門式剛構(gòu)橋相比同等跨徑的梁更加經(jīng)濟。

　　(2)、土的彈性支撐對門式剛構(gòu)橋影響不大，建議樁頂附近地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m大致在8000左右。

　　(3)、樁徑大小對門式剛構(gòu)橋有一定的影響，防止樁徑過小，同時樁基不應(yīng)過大，樁徑大于某個值時后，影響就很小，實際工程上應(yīng)考慮這方面的影響。

　　參考文獻

　　[1]JTGD63-2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范人民交通出版社

　　[2]GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].2002

　　[3]JGJ94-94建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S]．1994

　　[4]JGJ12O-99建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S]．1999

　　[5]劉建航，候?qū)W淵．基坑工程手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997

　　[6]胡人禮．橋梁樁基礎(chǔ)分析和設(shè)計[M]．北京：中國鐵道出版社，1987．

　　[7]樁基工程手冊編寫委員會．樁基工程手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995