軟土環(huán)境考慮樁土作用下的有限元模型分析

(廣州大學(xué) 廣東 廣州 510000)

我國沿海地區(qū)廣泛分布著軟弱土層，因而在設(shè)計深厚軟土地基上高速鐵路橋梁基礎(chǔ)形式時，樁基礎(chǔ)成為了優(yōu)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(tǒng)的影響，通過約束方程將3個子系統(tǒng)進(jìn)行耦合。李忠獻(xiàn)[2]將群樁基礎(chǔ)簡化為彈性地基梁，以彈簧和阻尼器模擬土介質(zhì)的動力特性，建立了樁基和土體模型，并對混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋進(jìn)行了數(shù)值分析。李小珍[3]針對軟土地基處的某高速鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋，建立了包含樁基在內(nèi)的整橋有限元模型，進(jìn)行動力仿真分析，得到考慮樁-土作用對上部橋梁結(jié)構(gòu)振動特性的影響。

一、橋梁結(jié)構(gòu)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(chǔ)單元，橋墩及梁體采用等截面空間梁單元模擬，梁體質(zhì)量計為一致質(zhì)量，并計入扭轉(zhuǎn)慣性矩。橋梁以32米標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)為3×4群樁基礎(chǔ)，采用C30混凝土灌注樁，樁長14m，樁徑為1000mm。

二、列車模型的參數(shù)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(jié)構(gòu)的加載方式，所得到的加載效應(yīng)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(jié)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(jié)將整列列車模型簡化為一節(jié)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(shù)參照第四章。在只改變車輛模型這一參數(shù)的基礎(chǔ)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(yīng)曲線如圖1所示，結(jié)果數(shù)值比較如表1所示。

圖1 不同車速下橋梁的動力響應(yīng)

表1 三種車輛模型計算數(shù)值結(jié)果

注：以上差值均是以四軸二系模型計算結(jié)果作為參考值。

三、結(jié)論

由上述計算結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

四軸二系懸掛車輛模型充分考慮了車身、輪對、轉(zhuǎn)向架以及二系彈簧的剛度和阻尼等參數(shù)的影響，計算結(jié)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。