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1、巖土樁土相互作用土彈簧剛度計(jì)算方法一、引言 對(duì)于城市高架橋梁、大跨橋梁等樁承重要工程結(jié)構(gòu)，除保證其上部結(jié)構(gòu)的抗震安全性外，在遭受大地震作用時(shí)避免其基礎(chǔ)受損也十分重要。近幾年國(guó)外發(fā)生的大地震（如日本神戶地震等）的震害表明，坐落在軟弱土層上的橋梁樁基的震害十分突出，樁土相互作用這一課題又引起了人們的重視?！ ?duì)于基礎(chǔ)坐落在軟弱土層上的橋梁結(jié)構(gòu)來說，在地震發(fā)生時(shí)，橋梁上部結(jié)構(gòu)的慣性力將通過基礎(chǔ)反饋給地基，使地基產(chǎn)生局部變形。同時(shí)，地基自身也會(huì)因地震力作用而發(fā)生變形，反過來影響上部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。這即所謂地基一結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的相
2、互作用。考慮地基一結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的相互作用的影響，不僅可以更準(zhǔn)確地掌握橋梁上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，對(duì)于正確計(jì)算土中基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形也十分必要。 土與結(jié)構(gòu)相互作用的研究已有近60～70年的歷史，待別是近30年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為其提供了有力的分析手段。樁基礎(chǔ)是土建工程中廣泛采用的基礎(chǔ)形式之一，許多建于軟土地基上的大型橋梁結(jié)構(gòu)往往都采用樁基礎(chǔ)，樁一土動(dòng)力相互作用又是土一結(jié)構(gòu)相互作用問題中較復(fù)雜的課題之一。至今已有不少關(guān)于樁基動(dòng)力特性的研究報(bào)告，國(guó)內(nèi)外研究人員[1-8]也提出了許多不同的樁一土動(dòng)力相互作用計(jì)算方法。從研究成果
3、的歸類來看，理論上主要有離散理論和連續(xù)理論及兩者的結(jié)合，解決的方法一般有集中質(zhì)量法、有限元法、邊界元法和波動(dòng)場(chǎng)法?！ ?0～70年代，美國(guó)學(xué)者J.penzien[9]等在解決泥沼地上大橋動(dòng)力分析時(shí)提出了集中質(zhì)量法，目前已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。集中質(zhì)量法將橋梁上部結(jié)構(gòu)多質(zhì)點(diǎn)體系和樁一土體系的質(zhì)量聯(lián)合作為一個(gè)整體，來建立整體耦聯(lián)的地震振動(dòng)微分方程組進(jìn)行求解。該模型假定樁側(cè)土是Winkler連續(xù)介質(zhì)。以半空間的Mindlin靜力基本解為基礎(chǔ)，將樁一土體系的質(zhì)量按一定的厚度簡(jiǎn)化并集中為一系列質(zhì)點(diǎn)，離散成一理想化的參數(shù)
4、系統(tǒng)。并用彈簧和阻尼器模擬土介質(zhì)的動(dòng)力性質(zhì)，形成一個(gè)包括地下部分的多質(zhì)點(diǎn)體系?！ enZien方法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地考慮成層土的非均勻性，非線性和阻尼特性等因素。其計(jì)算力學(xué)圖式中，上下部結(jié)構(gòu)均采用多質(zhì)點(diǎn)有限元體系，便于直觀理解。同時(shí)計(jì)算比較簡(jiǎn)便，經(jīng)過適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，該模型可以較好地反映樁的動(dòng)力性能，因而在樁基橋梁抗震計(jì)算的實(shí)際工程中應(yīng)用極廣?！ 蛄簶痘A(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)目前還主要采用靜力的方法，土對(duì)樁基的作用通過一組等效的彈簧來表示。最近，日本等多地震國(guó)家的規(guī)范已開始建設(shè)使用pushOver的方法。該方法雖為一種非
5、線性的靜力分析方法，但可以等效地反應(yīng)結(jié)構(gòu)與土相互作用的主要?jiǎng)恿μ匦?，而且?jì)算簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。包括樁基在內(nèi)的橋梁系統(tǒng)的PushOver計(jì)算除考慮上部結(jié)構(gòu)慣性力的作用外，還要考慮地基土的水平變形對(duì)樁基的作用。已往往后者對(duì)樁基的抗震性能評(píng)價(jià)起決定性的作用。在建立計(jì)算圖式時(shí)，合理地確定土彈簧的水平剛度和土的側(cè)向變形是PushOver方法的關(guān)鍵。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(jiǎn)便的方法是采用Penzien模型中提供的土彈簧計(jì)算方法或參照現(xiàn)行規(guī)范中土彈簧的計(jì)算方法。 我國(guó)>（JT
6、J024-85）[10]用的m法在計(jì)算方法和參數(shù)選取方面比Penzien的方法要簡(jiǎn)單和方便，且為國(guó)內(nèi)廣大工程師所熟。m法的基本原理也是將樁作為彈性地基L的梁，按Winkler假定（梁身任一點(diǎn)的土抗力和該點(diǎn)的位移成正比）求解。但是，由于樁上相互作用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，土的物性取值有時(shí)亦缺乏合理性，在確定土彈簧的剛度時(shí)，仍有不少問題未能很好解決。特別是，m法中m的取值對(duì)彈簧剛度的計(jì)算結(jié)果影響很大，且不能反映地震波的頻率特性和強(qiáng)度帶來的影響?！ ”疚尼槍?duì)橋梁樁土相互作用問題PushOver分析法中，如何合理地確定土彈簧的剛
7、度和土體的變形的課題進(jìn)行分析計(jì)算。研究了不同地震強(qiáng)度下土彈簧剛度的變化特性，并將Penzien的方法和橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的“m法”計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，為樁土相互作用問題的理論分析和參數(shù)選取提供重要的手段和依據(jù)?！ 《?、研究思路與計(jì)算理論 1研究思路 對(duì)同一橋梁基礎(chǔ)實(shí)例，分別用兩種方法來計(jì)算土層在水平方向的等效線彈簧剛。第一種方法為Penzien[9]的方法。用Milldlin公式確定水平土彈簧剛度，上述計(jì)算中土的剪切模量采用由SHAKE程序在不同輸入地震波情況下算出的等效線性剪切模量。第二種方法直接采用規(guī)范[10]
8、中的m法確定土的地基系數(shù)C，再由其算出土彈簧的水平剛度。?m的取值根據(jù)土的物性而定，并考慮規(guī)范所給的范圍的中值和低值以比較其影響?！ ?duì)于計(jì)算結(jié)果，通過比較方法1中土的等效剪切模量的變化討論地震波種類和大小對(duì)土層剛度及變形的影響。并直接比較兩種方法算出的土彈簧剛度值及討論m法的m值取值合理性?！ ”疚牡牧硪恢饕ぷ魇怯肧HAKE程序計(jì)算不同地震波輸入時(shí)各土層的最大變形，為
