黄福云，林友炜，刘名琦，庄一舟，程俊峰，徐 亮

(1.福州大学 土木工程学院,福建 福州 350108；2.重庆大学 土木工程学院,重庆 401331)

半整体式桥台是指桥台上部分(又称端墙)与主梁连成整体且支承于桥台下部分的桥台。桥台上部分与主梁之间没有伸缩缝和伸缩装置(简称半整体桥)[1]，因其具有使用寿命长、施工方便、造价及养护费用低等特点，目前在国内外得到了广泛的应用与推广。文献[2-4]提出了一种新型半整体式桥台无伸缩缝桥梁(简称新型半整体桥)，其不仅能够避免主体结构内部在温度引发的循环荷载作用下产生较大的温度应力，而且还可以很好地传递、吸纳主梁和连接板的伸缩变形，有效提高半整桥的抗震性能。而该新型半整体桥与文献[5]提出的新型半整体桥的不同点主要在于引板枕梁下方增设了一排微型桩，并通过微型桩的地震能量吸收功能和水平变形能力来提高该桥梁的抗震性能。因此，对引板下微型桩动力特性响应的研究是发展新型半整体桥的关键因素。

1 试验简介

以微型桩作为振动台试验对象，测试其自振频率和桩顶反应以验证有限元模型，此试验主要由微型桩、砂土、钢箱、桩顶配重块、测定仪器等组成。以圆形微型桩为主，采用较为常见且方便设计的混凝土材料。微型桩直径100 mm、埋深1.8 m，同时，桩身伸出土表面的高度为0.4 m。

模型土选用均匀性良好的砂土，其物理力学参数见表1。钢箱尺寸为高2.1 m，长与宽均2 m。考虑到边界效应，钢箱四周内壁贴有10 cm 厚的EPS泡沫；微型桩上部配220 kg质量块，同时与桩顶焊接。

表1 砂土的物理力学参数

传感器布置主要有加速度计、应变片、位移计。其中，混凝土圆形桩只在x方向的桩身和相应等高度的砂中分别布置了6个加速度传感器，距离均为30 cm。应变片沿桩身高度等间距布置10对，其中最底下的应变片离箱底10 cm，其余每对应变片之间的距离为21.25 cm。位移计布置在桩顶质量块的下表面和振动台的台面。试验时台面输入主要以正弦波为主，在此基础上还分别进行了EI-Centro波、Kobe波、人工波等地震波的研究，加载幅度以0.15g为主。

2 有限元模型建立和验证

表2 数值分析方案

通过有限元软件ABAQUS建立模型，桩体、泡沫边界、土体采用8节点的线性六面体单元(C3D8R)模拟，材料的本构关系及其选用参数见表3—表7。钢箱和桩顶质量块用解析刚体代替，建立刚体时在相互作用模块中分别对钢箱和桩顶质量块赋予相应的惯性点质量。桩体内部的主筋和箍筋采用两节点线性三维桁架单元(T3D2)模拟。边界条件设立时，在加速度加载前将模型底部完全固定，设为边界条件 BC1，待到动力加载分析步时将此分析步杀死，在动力分析步中重新建立边界条件BC2，BC2允许模型底部在加载方向运动，但禁止在其他方向运动，而模型四周为约束水平两方向自由度的边界条件BC3。同时建立一个边界条件BC4，BC4是一种加速度荷载，有限元模型见图1。

表3 C40普通混凝土力学参数

表4 C40混凝土本构参数

表5 泡沫的本构参数

表6 黏性土M-C本构参数

表7 砂性土D-P本构参数

注：表中D-P模型中细砂的摩擦角52.16°由试验值32°经公式转换得到。

图1 试验构件有限元模型

依据表2中的模型参数建立微型桩相应的三维实体有限元模型，并对微型桩进行摄动分析，计算模型桩的前4阶模态参数，对比微型桩中基频的试验值和有限元计算值，具体计算结果见表8。可知，有限元模型的计算值与试验值非常接近。

表8 桩基前4阶阵型的自振特性参数对比

图2 混凝土微型桩顶处位移

图3 微型桩桩身变形有限元计算值和试验值对比

3 不同参数对微型桩基动力响应的影响

在确定有限元模型正确的基础上，按照数值建模与验证的分析方案改变桩身尺寸和土体参数建立相应的有限元模型，并进行分析。

3.1 桩径尺寸

桩径为100，130，160，190 mm的C40普通混凝土微型桩在0.15g,4 Hz正弦波作用下桩身弯矩、变形、土反力分布情况见图4。

图4 不同桩径的微型桩桩身弯矩、变形和土反力分布情况

由图4(a)可知，对于不同桩径的圆形C40普通混凝土微型桩，弯矩峰值出现的埋深位置从浅到深的微型桩依次为桩径100，130，160，190 mm，说明桩径越大，弯矩峰值点越深，而影响弯矩峰值点埋深位置的主要因素是桩身的抗弯刚度，刚度越大，弯矩峰值点越深；桩径越大，最大弯矩越大；同时发现桩径为100，130 mm的微型桩在桩的底部出现了负弯矩，而桩径为160，190 mm的微型桩底部出现了较大的正弯矩，且底部的弯矩随着桩径的增大而增大。因桩径与抗弯刚度成4次方增加的关系，微小量的桩径差将导致抗弯刚度非常显著的变化，从而显著地增加了桩体与土的抗弯刚度比，当抗弯刚度比达到一定值时，土体的作用就显得很微小，此时的桩体可以看作是刚性桩，桩径为190 mm的微型桩比较靠近刚性桩的范畴。

由图4(b)可知，不同桩径的圆形C40普通混凝土微型桩，变形从强到弱依次为桩径100,130,160,190 mm，并且它们之间的差别较大。主要原因是在动荷载作用下，影响桩身变形的因素除了桩身材料的弹性模量和桩径外，还与桩基的固有频率和荷载的加载频率、桩径的有效阻土面积有关。4 Hz的正弦波作用下离桩径100 mm混凝土微型桩的基频最接近，并且桩径100 mm的微型桩阻土面积最小。

由图4(c)可知，不同桩径的圆形C40普通混凝土微型桩的土反力沿桩身呈相同规律分布，即土表面为0，并沿深度逐渐增大至一侧峰值点后再逐渐减小并反向增大至另一个峰值点，最后逐渐减小并趋近于0。但各微型桩的土反力峰值大小不一，土反力峰值从大到小的微型桩依次为桩径130,160,190，100 mm。桩径较小的微型桩，其土反力曲线的反弯点位置较桩径大的微型桩更浅。表层土范围内的土反力增长趋势差别较大，桩径为100，130 mm的微型桩增长较快，桩径为190 mm的微型桩增长速度最慢。另外，土反力峰值点的埋深随桩径的增加而显著增加。

3.2 桩周土层

桩径为100 mm的C40普通混凝土微型桩在不同桩周土(粗砂、中砂、细砂、粉砂、粉质黏土、黏土)条件下、不同幅值(0.15g、0.2g、0.3g)的4 Hz正弦波作用下的桩身弯矩、变形和土反力见图5。

图5 不同幅值时微型桩的桩身弯矩、变形和土反力

由图5(g)、图5(h)、图5(i)可知，各类桩周土条件下微型桩基在不同加速度幅值的正弦波作用下，桩身土反力沿桩身呈相同规律分布，即先逐渐增大至一侧峰值后再逐渐减小并反向增大至峰值，最后逐渐减小趋近于0，正负各存在一峰值。但不同类型土条件下土反力分布曲线不尽相同。0.15g，4 Hz正弦波作用下，土反力正、负峰值绝对值从大到小依次为粉砂、细砂、中砂、粉质黏土、黏土和粗砂。砂性土条件下土反力峰值与土的抗压模量、颗粒粒径成相反的关系，土的抗压模量和颗粒粒径越大则土反力峰值越小，而黏性土并没有呈现出上述规律，黏性土颗粒粒径最小土反力峰值也最小，并且2种黏性土的土反力峰值和规律基本相同。

4 结论

1)对于不同桩径的微型桩基受动力荷载作用时，桩径越大，则桩身弯矩峰值及其出现的埋深越大，且与较小直径的微型桩相比，此时土对桩体的作用较小；桩径对微型桩的横向变形影响显著，微型桩基的基频和抗弯刚度随着桩径的增加会显著变化。另外，土反力峰值出现的埋深也随桩径的增加而显著增加。

3)土反力正、负峰值点绝对值从大到小依次为粉砂、细砂、中砂、粉质黏土、黏土和粗砂。砂性土和黏性土在土反力峰值点处表现出了明显的差异。砂性土的抗压模量和颗粒粒径越大则土反力峰值越小，而影响黏性土条件下的桩身土反力主要为黏聚力。