高速铁路连续梁高桩承台的动力性能影响分析_毕玉琢

中图分类号： U443. 25
文献标识码： A
Analysis of Dynamic Effect of High-rise Pile Cap of Continuous Beam on High-speed Railway
BI Yu-zhuo （ China Railway Siyuan Survey and Design Group Co． ，Ltd． ，Wuhan 430063，China） Abstract： Combined with the design schemes for the main span （ 60 + 2 × 100 + 60 ） m continuous beam of Gutianxi Bridge on Hefei-Fuzhou railway，the corresponding spatial finite element models are established and the vibration characteristics of the models are comparatively analyzed． Moreover，the bridge structure dynamic analysis program BDAP V2． 0 is used to simulate train-bridge dynamic performance and analyze the influence of high-rise pile cap and pile-soil interaction on the vibration performance of bridge and train． Comparative analysis shows that high-rise pile cap and pile － soil interaction can drop natural frequency of the bridge structure and the transverse displacement and acceleration in the middle of span and on the top of pier have significant differences under three models． The whole pile model considering pile-soil interaction can truly reflect transverse vibration performance of the bridge under train loads，while dynamic simulation with the pier bottom consolidation model will produce a great error． Key words： high-rise pile cap； pile-soil interaction； vibration performance； train running property； train-bridge coupling
1 引言
随着国家经济建设的不断发展和桥梁工程的兴 建，高桩承台在实际工程中的应用也越来越广泛［1 － 3］。 高桩承台是一种常见的结构型式，即部分桩身沉入土 中，部分桩身露在地面以上或最大冲刷线以上 （ 称为
收稿日期： 2012-07-12 作者简介： 毕玉琢（ 1962-） ，男，教授级高级工程师。
第1 期
毕玉琢： 高速铁路连续梁高桩承台的动力性能影响分析
2013 年 2 月
的影响。鲁鹏［5］研究了不同桩距时的群桩效应，得出 了相应的变化规律，并揭示了群桩基础的优势； 周敉等 人［6］采用弹性地基反力法考虑桩 － 土相互作用，通过 幂级数法求解了侧向荷载作用下桩的挠曲微分方程； 李小珍等人［7］对比分析了全桩模型、等效承台刚度模 型和桩底固结模型，研究了桩 － 土相互作用对桥梁上 部结构和车辆动力响应的影响。
摘 要： 结合合福铁路古田溪特大桥主跨（ 60 + 2 × 100 + 60） m 连续梁设计方案，分别建立了相应的空间有限
元模型，对比分析了 3 种模型的自振特性。采用桥梁结构动力分析程序 BDAP V2. 0 进行车桥动力仿真，针对
高桩承台以及桩 － 土相互作用对桥梁和车辆的振动性能的影响进行了研究。对比分析表明： 高桩承台及桩 －
图 6 全桩模型示意图
全桩模型（ 模型一、模型二） 由于建立了包括桩基 础在内的下部结构，具有空间场地效应，可以考虑下部 桩基础与上部结构的耦合振动。桩底固结模型（ 模型 三） 即不考虑基础刚度的影响，直接将桩基固结。
相比桩底固结模型，全桩模型考虑了群桩基础横 向位移与弯曲的耦合作用，即在结构刚度矩阵中计入 了承台处位移和弯曲的耦合刚度，它能更准确地反映 群桩基础与上部结构的相互作用。
土相互作用使桥梁结构的自振频率降低，且不同模型下，桥梁跨中和墩顶的横向位移和加速度也有差异； 考虑
桩 － 土相互作用的全桩模型能比较真实地反映车辆荷载作用下桥梁的横向振动特性，而采用墩底固结模型
进行动力仿真分析会产生较大误差。
关键词： 高桩承台； 桩 － 土相互作用； 振动性能； 列车走行性； 车桥耦合
全桩模型如图 6 所示。基于文克尔地基梁假定， 将土层简化为文克尔弹簧，即假定桩土间的相互作用
37
第1 期
毕玉琢： 高速铁路连续梁高桩承台的动力性能影响分析
2013 年 2 月
图 5 模型三有限元模型立面图
力与桩基埋置深度和桩身水平位移的乘积成正比，将 群桩基础中的每根桩视为弹性地基梁，桩土之间的相 互作用由弹簧对梁的水平弹性支承来实现。按照地基 土的分层情况对桩分段（ 在各层间再均匀分成若干 段） 。对于每一段桩，用 2 个水平弹簧模拟土的侧向 推力，用桩 底 的 竖 向 弹 簧 模 拟 岩 体 的 支 承 反 力，根 据 《铁路桥 涵 地 基 和 基 础 规 范 》［14］，土 弹 簧 的 刚 度 系 数 根据“m”法确定，群桩效应通过桩间相互影响系数加 以考虑。对于高桩承台，根据规范不考虑局部冲刷线 以上土体的影响。对于软弱地基，偏于安全考虑，可忽 略土体对承台的约束，仅在整个桩长范围内考虑土体 的约束。
图 2 古田溪特大桥修改设计方案立面布置图（ 单位： m）
古田溪特大桥地处福建省古田县和闽清县交界 处，主要为 跨 越 古 田 溪 而 设，是 合 福 铁 路 上 的 重 要 桥 梁。全桥桥跨 布 置 为： 5 × 32 m 简 支 梁 + （ 60 + 2 × 100 + 60） m 连续梁 + 2 × 32 m + 24 m 简支梁。线路等 级为双线高速铁路，设计速度为 350 km / h，设计活载 为 ZK 活载，桥梁二期恒载值为 130 kN / m。针对主跨 （ 60 + 2 × 100 + 60） m 连续梁进行研究，墩号由合肥至 福州方向依次为第 5 号 ～ 第 9 号墩，其中 5 号、9 号墩 为边墩，6 号、8 号墩为次边墩，7 号墩为中墩，梁跨依 次为第 6 号 ～ 第 9 号梁。桥位处正常蓄水位为 65 m。
本文结合合福铁路古田溪特大桥主跨（ 60 + 2 × 100 + 60） m 连续梁设计，建立了相应的空间有限元模 型，采用桥梁结构动力分析程序 BDAP V2． 0 进行动力 仿真，计算分析了 3 种模型的自振特性，初步探讨了高 桩承台及桩 － 土相互作用对桥梁和车辆振动性能的 影响。
2 工程背景
为群桩基础（ 11 根桩径 1. 5 m、9 根桩径 2. 8 m、18 根 桩径 2. 8 m、9 根桩径 2. 8 m 、11 根桩径 1. 5 m ） 。
与原设计方案进行比较可以看出，修改的设计方 案采用了典型的高桩承台群桩基础，主要体现在 7 号 墩上，承台提高到正常蓄水位处，桩基有 33 m 长的自 由长度，其立面布置如图 2 所示。
图 7 车 － 线 － 桥耦合系统计算模型示意图
建立机车车辆模型时，把组成机车车辆的各基本 部件，如车体、构架、摇枕和轮对等都视作刚体，一节机 车车辆由车体、2 个构架及 4 个轮对共 7 个刚体组成。 每一刚体考虑浮沉、横摆、侧滚、点头及摇头 5 个自由 度，因此每辆车共有 35 个自由度。
轨道计算模型中，把钢轨视为连续弹性离散点支 承基础上的无限长 Euler 梁，具有横向、垂向及扭转运 动自由度，考虑钢轨振动的边界条件影响后，可将钢轨 的无限长 Euler 梁模型简化为有限长简支梁模型。由 于道床板的厚度比道床板的长度和宽度小，道床板的 横向抗弯刚度很大，可简化为刚体。
3 有限元模型
根据车桥耦合振动理论，建立与上述 3 种方案相 应的空间有限元模型，分别为：
模型一： 针对原设计方案，建立普通群桩的全桩模 型，如图 3 所示。
图 3 模型一有限元模型立面图
模型二： 针对修改设计方案，建立高桩承台的全桩 模型，如图 4 所示。
图 1 古田溪特大桥原设计方案立面布置图（ 单位： m）
原设计方案： 5 号 ～ 9 号 墩 墩 高 分 别 为 35. 5 m、 52 m、71 m、55. 5 m、35 m，桩基础为普通群桩基础（ 12 根桩径 1. 5 m、9 根桩径 2. 5 m、16 根桩径 2. 5 m、9 根 桩径 2. 5 m 、12 根桩径 1. 5 m ） ，7 号墩承台在正常水 位线以下 21 m，其立面布置如图 1 所示。
2013 年 2 月 第4卷 第1期
高速铁路技术 HIGH SPEED RAILWAY TECHNOLOGY
文章编号： 1674—8247（ 2013） 01—0036—05
No． 1，Vol． 4 Feb． 2013
高速铁路连续梁高桩承台的动力性能影响分析
毕玉琢
（ 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063）
4 车 － 线 － 桥耦合振动分析理论与模 型简介
车 － 线 － 桥耦合系统计算模型是由车辆计算模 38
型、轨道计算模型和桥梁计算模型按一定的轮轨接触 关系和线桥作用关系连接而组成的，图 7 所示为包含 路桥过渡段的车 － 线 － 桥耦合系统计算模型示意图。 运用车辆、轨 道 和 桥 梁 结 构 动 力 学，分 别 建 立 运 动 方 程，以轮轨接触几何关系和轮轨相互作用力联系车辆 和轨道子系统，以轮轨力产生的线桥相互作用力联系 轨道和桥梁子系统，采用快速显式积分方法求解列车、 轨道系统动力学响应，采用 Newmark-β 法求解桥梁结 构的动力响应，采用数值积分方法求解车 － 线 － 桥耦 合系统的非线性动力响应。
建立桥梁模型时，采用空间梁 － 杆系有限元分析 模型。对空间梁单元模型，每个节点考虑3 个线位移 与 3 个转角位移； 对空间杆单元模型，每个节点考虑 3 个线位移； 梁与墩之间的联结根据实际约束条件采用 主从关系来处理； 采用一致质量矩阵，阻尼取比例阻 尼。对桥面二期恒载，将其作为均布质量分配到相应 的桥梁单元中。
36
桩的自由长度） 。由于高桩承台基础能够穿透软弱层 而达到较深的持力层，其承载的能力很好，这方面的研 究积累也比较丰富。高桩承台特殊性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ于地面上有一 段无土体约 束 的 桩，朱 男、孙 建 平［4］ 将 某 桥 墩 桩 的 自 由长度由实际的 0. 48 m 逐步增加至 20. 48 m，计算了 结构的自振特性。此外，对于地面或冲刷线以下的桩 基，过去直接在地面以下一定深度处将桩基嵌固而忽 略桩周土层的作用。随着研究的深入，人们越来越认 识到桩 － 土相互作用对桥梁上部结构及自身振动性能
修改设计方案： 由于主桥位置处水位很高，为了方 便水下基础和承台施工，主要针对中心 6 号 ～ 8 号桥 墩和基础进行了修改设计。修改后的 5 号 ～ 9 号墩墩 高分别为 35 m、47. 5 m、49. 5 m、48. 5 m、35 m，桩基础
图 4 模型二有限元模型立面图
模型三： 针对修改设计方案，建立 7 号中墩桩基在 冲刷线以下 2 m 处的固结模型，如图 5 所示。