摘要:本文利用midas的板、梁单元建立空间模型，根据m法模拟桩土作用。利用空间模型得到的弯矩计算结果与梁单元模型计算结果比较分析，得出相关结论：门式刚构桥内力比同等跨度要小，能够有效节省材料，减低造价；同时得出桩顶附近土m值大约在8000kN/m4左右，对门式刚构桥受力最为有利。
关键词:门式刚构桥，midas，m法，桩土作用
1前言
龙眼桥位于主线与龙眼路(规划虎门大道)相交的平交口上，桥梁标高变化剧烈，如上部采用预制结构，则施工难度较大。为方便施工，新建龙眼桥采用现浇门式刚构桥。桥跨与规划上下游相接桥梁相同，为2孔净9m。
桥梁长20.14m，跨径组合2x9m。桥梁宽110.08m，共分为七个节段，每个节段长度10～19m不等。上部结构梁高70cm，调平层厚10cm，桥面铺装为10cm沥青砼。框架台高约5m，台厚70cm，基础为单排桩接承台，钻孔灌注桩基础，桩径120cm，桩基按照摩擦桩设计。设计荷载为公路I级。
2计算模型的建立
本文利用有限元midas软件,建立两跨门式刚构桥的模型，并且进行内力分析。门式刚构桥主梁、墩台按照板单元模拟；承台、桩基按照梁单元模拟。计算模型中考虑了桩土作用,用弹簧模拟地基土对桩基的弹性支撑,弹簧刚度根据<<公路桥涵地基及基础设计规范JDGD63-2007>>按“m法”计算[1]。全桥计算模型如图1所示。
图1全桥计算模型图
3m法介绍
地基系数m法是国内比较盛行的计算水平荷载桩位移和内力的方法，被纳入现行建筑地基基础设计规范[2]、建筑桩基技术规范[3]、建筑基坑支护技术规程[4]和公路桥涵地基与基础设计规范[1]。由于在水平荷载作用下，桩身因产生变位而受到周围岩土介质的约束反力(抗力)，m法实际上是假设桩侧岩土介质抗力系数(地基系数)随深度按比例系数m线性增长，但严格说m值并不只是与桩侧岩土的刚度有关，还与桩的刚度、桩型、成桩方法和桩项容许位移有关。原则上，宜通过在桩身穿越的各土层中做相应的水平载荷试验来确定各层土的m值，但这样做是不现实的，现有的试验方法是根据桩在地面以下几倍桩径范围内地基土的类型和土质条件统计得出的m值。由于试验费用和时间等原因，工程界普遍是按规范给出的经验值取用。一些工程设计人员为计算简便，常取一不变的比例系数m，在基坑支护桩设计[5]中也有在一定深度范围以上取一比例系数m，而在该深度以下抗力系数取为常数。然而，实际工程桩常穿越多层地基土，而各层地基土的刚度常是不同的，它们的地基抗力系数变化规律理应不同。因此，不针对岩土成层分布的具体情况，而做过于简化的处理，其设计计算结果与实际情况难免会出现较大差异。对于多层地基情况，国内规范[1]和文献[6][7]大都建议采用地基比例系数换算法，即将多层地基比例系数换算为一个相当于均质土层时的比例系数，然后按均质地基求解桩身位移和内力。试验和大量实例计算表明：靠近地面或最低冲刷线一定深度hm范围内的土质好坏对于桩侧土抗力大小影响很大，因此，现一般采用hm深度内各土层地基系数按厚度的加权平均值m(或使换算前后地基系数面积相等)作为桩的整个埋入深度内的m值。如图1所示，当桩周有3种土层时，根据换算前后地基系数图形面积在hm深度内相等，可得：
正如文献[5]指出，上述换算存在一些问题，因此，采用现行规范建议的地基系数换算法，将导致桩身位移和内力计算误差较大，且实例计算表明常是偏于不安全的。因此，该文献中提出了按桩身挠曲线加权换算法，可有效提高分析计算精度。然而，无论哪种换算法，在计算桩身不同深度处的位移和内力时仍需按传统m法根据换算深度αZ表手算。为客观地反映成层地基的实际抗力特性，以提高设计计算结果的可靠度和计算效率，可采用有限差分法和弹性地基杆系有限单元法。
4.计算内力分析及一些影响因素讨论
4.1内力分析
1.在汽车活载+日照温差+二期荷载作用下主梁弯矩如图3所示：
由图3-4可知:双跨门式刚构桥桥墩上部出现负弯矩、跨中正弯矩，跨中最大弯矩为624kN.m,同等跨径的简支梁按照M=ql2/8+1/4Fl计算可得1020KN,大大减少了跨中弯矩，而且桩基桩顶弯矩最大，没有在土中扩大，弯矩相比同等台高要小，因此能减小结构尺寸，大大降低了工程造价。
4.2影响因素
1.桩土作用土的弹性支撑刚度对主梁影响
本节按照弹簧模拟地基土对桩基的弹性支撑,弹簧刚度根据<<公路桥涵地基及基础设计规范JDGD63-2007>>按“m法”计算,m值从500~30000KN/m4分别计算主梁中跨最大弯矩、中墩最大负弯矩、边墩最大负弯矩，其土的弹性支撑刚度影响如图5所示:
由图中可知,跨中最大弯矩、中墩最大负弯矩随着水平弹性支撑刚度变大而变大,边墩最大弯随着水平弹性支撑刚度变大而变小,最后都趋于稳定。特别是在当地基水平抗力系数的比例系数m大于7500kN/m4后，水平弹性支撑刚度对主梁的影响很少。
2.桩基刚度对主梁的影响
本节调整桩径从0.2~2m，分别计算计算主梁中跨最大弯矩、中墩最大负弯矩、边墩最大负弯矩，其桩基刚度的影响如图6所示:
由图中可知,跨中最大弯矩、中墩最大负弯矩随着桩基刚度变大而变大边墩最大弯随着桩基刚度变大而变小,最后都趋于稳定。对于本桥当桩径大于1.2m后，桩径增大基本上没什么影响。
3.桩土作用土的弹性支撑刚度对桩基影响
本节用弹簧模拟地基土对桩基的弹性支撑,弹簧刚度根据<<公路桥涵地基及基础设计规范JDGD63-2007>>按”m法”计算,m值从500~30000KN/m4分别计算桩基桩顶最大弯矩，其土的弹性支撑刚度影响如图7所示:
由图中可知,桩顶最大弯矩随着水平弹性支撑刚度变大而变小,最后都趋于稳定。当m值接近10000kN/m4,桩顶弯矩都趋于稳定。
5.结论
(1)、门式刚构桥相比同等跨径的梁更加经济。
(2)、土的弹性支撑对门式刚构桥影响不大，建议桩顶附近地基水平抗力系数的比例系数m大致在8000左右。
(3)、桩径大小对门式刚构桥有一定的影响，防止桩径过小，同时桩基不应过大，桩径大于某个值时后，影响就很小，实际工程上应考虑这方面的影响。
参考文献
[1]JTGD63-2007公路桥涵地基与基础设计规范人民交通出版社
[2]GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].2002
[3]JGJ94-94建筑桩基技术规范[S]．1994
[4]JGJ12O-99建筑基坑支护技术规程[S]．1999
[5]刘建航，候学渊．基坑工程手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997
[6]胡人礼．桥梁桩基础分析和设计[M]．北京：中国铁道出版社，1987．
[7]桩基工程手册编写委员会．桩基工程手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1995
