李加武李高超黄森华（长安大学公路学院陕西西安710064）
作者简介：李加武（1972-），男，汉族，安徽舒城人，教授，工学博士，博士后，主要从事桥梁的抗风与抗震研究工作。
摘要：桩土相互作用是桥梁分析中的难点，尤其是在桥梁抗震研究中。本文以一座大跨刚构-连续桥为例，分析比较了工程上常用的几种桩土作用简化模式：承台底6弹簧模型、弹性嵌固模型、等效嵌固模型、等代土弹簧模型。以等代土弹簧模型的计算结果为基准，研究上部结构参数对这四种简化模式的动力特性及地震响应的影响，可以看出：曲率半径对动力特性计算时的简化模型影响较小，对地震时结构内力影响较大，综合比较，承台底6弹簧模型精度较高。跨径的变化对动力特性计算时的简化模型影响较大，尤其是在与墩相关的振型中，综合地震响应来看，5D嵌固模型精度较好。
关键词：参数分析；桩土的共同作用；简化模式；适用性
1引言
国内外许多学者对于桩-土-结构动力相互作用问题进行了很多研究，其分析模型和方法主要有：质量-弹簧-阻尼模型，Winkler模型，连续介质力学模型，有限元法和边界元法[1,2]。
范立础等[3]通过振动台试验探讨了考虑桩-土-桥梁相互作用的不同桩基形式和桥墩结构在不同输入地震动下的地震反应规律和结构破坏特征，从试验方面研究了桩土相互作用的机理；燕斌等[4，5]对不同时期具有代表性的Winkler地基梁模型进行评价分析；李黎等[6]分析了一座采用减隔震装置的连续梁桥，分别采用了不考虑桩土相互作用，m法等代土弹簧模型和非线性有限元实体桩模型，建模工作量较大；孙利民等[7]提出一种改进Penzien集中质量模型来考虑桩土相互作用后的结构动力特性的变化，并通过计算分析了国外某一座城市高架桥，验证了简化方法的合理性。刘健新等[8]通过对洛河大桥抗震性能计算，建议高墩大跨径连续刚构桥抗震设计时应考虑桩土相互作用。叶爱君等[9]以苏通大桥为研究对象，比较了6弹簧模型、等效嵌固模型和集中质量模型及弹性嵌固模型的优缺点，并得出弹性嵌固相比其他方法用于模拟桩土作用具有较好的精确度，同时指出这些模型都具有较好的实用性，但并未给出实用性的适用情况。
通过分析,以上研究中关于上部结构参数变化对桩土简化适用性的涉及较少，本文以一座刚构-连续梁桥为研究对象，采用大型有限元分析软件MIDAS/CIVIL建立了全桥有限元模型，通过改变上部结构的参数，对这四种简化模式进行动力特性分析和地震响应分析，研究桩土相互作用简化模式的适用性。
2桩土相互作用模拟方法
桩土相互作用一直是桥梁抗震研究中的难点，寻求实用简便的方法一直是这个领域的热点。常用的工程上的简化方法有：承台底6弹簧模型、弹性嵌固模型、等效嵌固模型和等代土弹簧模型。
2.1承台底6弹簧模型
承台底6弹簧刚度模型[10]是较为常用的考虑桩基边界条件来模拟桩土相互作用的处理方法，弹簧刚度的计算方法与静力计算相同，由承台底部的内力按照静力方法反推单桩最不利受力，所不同的仅是土的抗力取值比静力的大，一般取m动(2~3)m静。
2.1弹性嵌固模型
对于高桩承台基础，可以采用弹性嵌固模型简化近似模拟桩土系统对桥梁结构地震反应的影响[10]。
弹性嵌固模型在冲刷线处将桩身截断，将冲刷线以下的桩土相互作用效应用弹簧单元或阻抗矩阵来模拟，并输入冲刷线处自由场地地震动加速度时程。该模型的最大的特点是忽略了冲刷线以下土中桩身惯性力的影响，仅考虑弹性刚度与阻尼，并且地震输入忽略了分土层输入的影响。
2.3等效嵌固法对于高桩承台也可以采用等效嵌固模型（图2.1），即在冲刷线下一定深度处嵌固，并输入冲刷线处自由场地地震动加速度时程，而等效嵌固深度H根据单桩水平刚度等效的原则来确定[10]。在不考虑桩与桩之间所产生的群桩效应时，嵌固深度H的数学表达式为：