软土环境考虑桩土作用下的有限元模型分析

(广州大学 广东 广州 510000)

我国沿海地区广泛分布着软弱土层，因而在设计深厚软土地基上高速铁路桥梁基础形式时，桩基础成为了优先考虑对象。不同的有限元模型分析对车桥耦合振动的影响不同。张媛[1]建立了汽车-桥梁-列车耦合系统的影响，通过约束方程将3个子系统进行耦合。李忠献[2]将群桩基础简化为弹性地基梁，以弹簧和阻尼器模拟土介质的动力特性，建立了桩基和土体模型，并对混凝土连续钢构桥进行了数值分析。李小珍[3]针对软土地基处的某高速铁路连续刚构桥，建立了包含桩基在内的整桥有限元模型，进行动力仿真分析，得到考虑桩-土作用对上部桥梁结构振动特性的影响。

一、桥梁结构模型

本文在建立桥梁有限元模型时采用空间梁单元作为桥梁模型基础单元，桥墩及梁体采用等截面空间梁单元模拟，梁体质量计为一致质量，并计入扭转惯性矩。桥梁以32米标准跨度、单室箱型截面简支梁桥为例建立桥梁模型，其梁、墩均采用C30强度等级混凝土；支座采用板式橡胶支座模拟。基础为3×4群桩基础，采用C30混凝土灌注桩，桩长14m，桩径为1000mm。

二、列车模型的参数影响

车桥耦合动力分析中，车辆模型的选取将直接影响桥梁结构的加载方式，所得到的加载效应也不相同。本章分别建立了三种车辆模型来比较不同车辆模型所得结果之间的差别：

a)单轮对简化模型；b)两轴一系悬挂；c)四轴二系悬挂；

为加快运算速度，本章节将整列列车模型简化为一节车厢模型过桥，车速为200km/h，桥梁模型为单跨简支梁桥，其他模型参数参照第四章。在只改变车辆模型这一参数的基础下，探讨比较不用车辆模型对桩土作用下车桥耦合振动的影响。

三种车辆模型下桥梁跨中竖向加速度动力时程响应曲线如图1所示，结果数值比较如表1所示。

图1 不同车速下桥梁的动力响应

表1 三种车辆模型计算数值结果

注：以上差值均是以四轴二系模型计算结果作为参考值。

三、结论

由上述计算结果可知：

(1)单轮对简化模型、两轴一系悬挂模型和四轴二系悬挂模型这三种车辆模型过桥时，桥梁跨中竖向位移与跨中竖向加速度时程曲线变化趋势大致相同，说明建立的三种车辆模型正确，计算结果基本可信。

(2)与四轴二系车辆模型相比较，二轴一系车辆模型下桥梁跨中竖向位移偏差仅为1.96%，满足计算精度要求，但是桥梁跨中竖向加速度偏差为182%，相差很大，无法满足精度要求。

(3)单轮对车辆模型计算结果与另两种车辆模型相差较大，竖向位移和加速度与四轴二系车辆相差分别为62.75%和270%。主要原因在于单轮对模型将车辆与桥梁之间受力点简化为1个点，车辆重量全部作用在一个点上，必然使得计算结果出现较大偏差。

四轴二系悬挂车辆模型充分考虑了车身、轮对、转向架以及二系弹簧的刚度和阻尼等参数的影响，计算结果精度高。因此，本文后面计算中车辆模型均采用四轴二系悬挂车辆模型。