一種新型樁板組合結(jié)構(gòu)

馬　春

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處　武漢　430063)

一種新型樁板組合結(jié)構(gòu)

馬春

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處武漢430063)

摘要普通路基多采用常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)，一般由基礎(chǔ)、托梁和承載板組成。而在一些河堤區(qū)域，由于常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)高度較高，開挖量大，施工風(fēng)險(xiǎn)及施工難度均較大，對路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。文中運(yùn)用工點(diǎn)實(shí)例，結(jié)合設(shè)計(jì)條件，通過方案比選，對樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行了說明。提出了一種新型組合結(jié)構(gòu)，并給出了部分計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞樁板結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

樁板結(jié)構(gòu)是高速鐵路無砟軌道一種新的環(huán)保型路基結(jié)構(gòu)形式，因其具有強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好，以及建筑成本適當(dāng)、施工工藝簡單等特點(diǎn)，目前已在國內(nèi)外多條高速鐵路路基以及普通鐵路不良地基處理中得到應(yīng)用，并將作為一種有效控制基礎(chǔ)變形，尤其是工后沉降的地基處理方式而得到廣泛應(yīng)用[1]。常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于路基段，為托梁加承載板的模式，包括基礎(chǔ)、鋼筋混凝土托梁、承載板?；A(chǔ)位于穩(wěn)定巖層內(nèi)，鋼筋混凝土托梁沿路基本體橫向布設(shè)，承載板搭接在托梁頂部，承載板上部填筑路基。這種承載板整體結(jié)構(gòu)高度較高，開挖量很大，因此在河(海)堤上，特別是在兩側(cè)均為水域時(shí)，施工風(fēng)險(xiǎn)及難度較大。另外，為了滿足防浪、防潮功能，需要在常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)上另建防浪擋潮墻，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)寬度加大，影響了路基的穩(wěn)定性和整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性。

本文以廈門軌道交通一號線集杏海堤上樁板結(jié)構(gòu)為例，介紹一種寬度小、開挖量少、經(jīng)濟(jì)性高、滿足防浪防潮功能的用于堤上路基的槽型樁板組合結(jié)構(gòu)。它由基礎(chǔ)、槽型梁底板和腹板構(gòu)成，槽型梁的底板作為樁板結(jié)構(gòu)的承載板，槽型梁的腹板兼做防浪擋潮墻。

1設(shè)計(jì)條件

1.1　主要技術(shù)指標(biāo)

(1) 設(shè)計(jì)年限：100年。

(2) 工程區(qū)域潮汐屬正規(guī)半日潮。設(shè)計(jì)高水位6.14 m(高潮10%)，設(shè)計(jì)低水位0.72 m(低潮90%)。

(3) 抗震等級：按抗震烈度7度設(shè)防,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g。

(4) 鋼筋混凝土裂縫計(jì)算寬度最大限值0.15 mm。

(5) 相鄰跨間按5 mm的不均勻沉降量考慮。

1.2　計(jì)算荷載

(1) 結(jié)構(gòu)自重：混凝土容重取γ=26.5 kN/m3。

(2) 二期恒載：99 kN/m。

(3) 基礎(chǔ)變位：相鄰跨間按5 mm的不均勻沉降量考慮。

(4) 列車豎向靜活載：橋梁承受的列車荷載為B型車，6輛編組。

(5) 溫度變化影響力：廈門地區(qū)多年平均氣溫20.8 ℃，月平均氣溫2月份最低，平均氣溫12.4 ℃；7月份最高，平均氣溫28.5 ℃。設(shè)計(jì)中采用的整體升降溫溫差按10 ℃。槽形梁底板平均溫溫差按5 ℃考慮。

(6) 波浪力：根據(jù)《海港水文規(guī)范》[2]計(jì)算防浪墻上的波浪力。

1.3　荷載組合

(1) 組合I：結(jié)構(gòu)自重+收縮荷載+徐變荷載+活載+基礎(chǔ)不均勻沉降。

(2) 組合II：結(jié)構(gòu)自重+收縮荷載+徐變荷載+活載+基礎(chǔ)不均勻沉降+升降溫+制動力。

(3) 組合III：結(jié)構(gòu)自重+收縮荷載+徐變荷載+活載+橫向搖擺力+基礎(chǔ)不均勻沉降+升降溫+波浪力。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　孔跨布置

本段范圍內(nèi)224 m路基設(shè)計(jì)擬采用4聯(lián)3.25 m+3×16.5 m+3.25 m布置，樁基直接與底板固結(jié)，采用等寬橋面，截面為直腹板槽形，梁高在樁頂附近加高。槽形梁橋面凈寬7.6 m，梁底面全寬10 m，頂面全寬10.6 m。上翼緣板厚度0.3 m，寬1.5 m，跨中截面橋面板厚0.6 m，腹板厚0.5 m，槽形梁底板與樁基相交處設(shè)置150 cm×50 cm的梗脅過渡，梗脅范圍內(nèi)底板厚度由60 cm漸變至110 cm，腹板厚度由50 cm漸變至70 cm。

2.2　計(jì)算模型

計(jì)算模型見圖1，共劃分為54個(gè)單元，55個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用橋梁博士軟件計(jì)算。

圖1　橋梁博士計(jì)算模型(單位:cm)

圖2　樁基礎(chǔ)處截面

槽型樁板組合結(jié)構(gòu)無基礎(chǔ)處截面見圖3。

圖3　無基礎(chǔ)處截面

常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)有基礎(chǔ)處截面見圖4。

圖4常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)有基礎(chǔ)處截面

2.3　主要計(jì)算結(jié)果

(1) 槽形梁結(jié)構(gòu)按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，按工字形截面檢算上下緣配筋。翼緣板有效寬度按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]4.3.1、4.3.2條計(jì)算。

(2) 下緣配筋檢算。主力組合工況最大正彎矩為20 900 kN·m，主加附組合最大負(fù)彎矩為24 500 kN·m，發(fā)生在邊跨跨中，主力組合截面鋼筋最大拉應(yīng)力109.88 MPa，混凝土壓應(yīng)力5.74 MPa，裂縫寬度最大值0.124 mm；主加附組合截面鋼筋最大拉應(yīng)力128.81 MPa，混凝土壓應(yīng)力6.73 MPa，裂縫寬度最大值0.131 mm。

(3) 上緣配筋檢算。主力組合工況最大負(fù)彎矩為-33 600 kN·m，最大剪力6 770 kN；主加附組合最大負(fù)彎矩為-39 800 kN·m，最大剪力6 830 kN,發(fā)生在中墩墩頂處，主力組合截面鋼筋最大拉應(yīng)力149.58 MPa，混凝土壓應(yīng)力2.8 MPa，裂縫寬度最大值0.127 mm；主加附組合截面鋼筋最大拉應(yīng)力177.18 MPa，混凝土壓應(yīng)力3.32 MPa，裂縫寬度最大值0.136 mm。

(4) 剪應(yīng)力最大值1.70 MPa。需配置抗剪箍筋及斜筋。每側(cè)腹板采用4肢Φ16 mm HRB400抗剪箍筋，腹板箍筋能承擔(dān)的剪應(yīng)力為1.936 MPa>1.70 MPa。

(5) 梁端轉(zhuǎn)角。在列車靜活載作用下，懸臂端最大豎向位移0.365 mm

(6) 豎向撓度。在列車靜活載作用下，結(jié)構(gòu)的豎向撓度最大值0.392 mm，小于L/2 000=8.25 mm。

(7) 線剛度。因樁基與槽型梁底板固結(jié)，各樁共同抵抗水平力，在制動力273 kN作用下，主梁水平向位移7.95 mm，則整聯(lián)橋線剛度為273/0.795=343.4 kN/cm>240 kN/cm。

(8) 樁基礎(chǔ)檢算。邊支點(diǎn)主力組合下樁頭力Pmax=3 399.4 kN，主加附組合下樁頭力Pmax=4 809.6 kN；中支點(diǎn)主力組合下樁頭力Pmax=6 111.4 kN，主加附組合下樁頭力Pmax=7 521 kN。樁徑選取1.25 m可滿足受力要求。

3樁板組合結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)方案工程量對比

槽形梁方案將原防浪墻作為結(jié)構(gòu)的腹板，既能起到抵抗海浪侵襲、防風(fēng)、減噪音、防止列車脫軌翻車等功能，又能提高了上部結(jié)構(gòu)的豎向剛度，減小上部結(jié)構(gòu)的埋入深度及開挖量，槽型樁板組合結(jié)構(gòu)與常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)方案工程數(shù)量對比見表1。

表1　路基范圍(224 m)內(nèi)常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)與槽型樁板組合結(jié)構(gòu)的主要工程數(shù)量對比

由上表1可見，采用槽型樁板組合結(jié)構(gòu)，和常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)相比，基坑開挖和回填的數(shù)量減少了約50%，混凝土和鋼筋數(shù)量也分別減少了26%和10%，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，有效地降低了工程總造價(jià)。

4結(jié)語

文中所述的槽型樁板組合結(jié)構(gòu)，槽型梁的底板作為樁板結(jié)構(gòu)的承載板，槽型梁的腹板兼做樁板結(jié)構(gòu)的防浪(防撞)墻。樁板結(jié)構(gòu)與槽型梁全新組合，大幅地降低了結(jié)構(gòu)高度，為線路(路線)縱斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了條件；以槽型梁腹板作為防浪(防撞)墻，與常規(guī)梁相比，槽型梁腹板既能起到抵抗海浪侵襲、防風(fēng)、防撞、減噪音、防止列車脫軌(車輛翻車)等功能，又能提高上部結(jié)構(gòu)的豎向剛度；克服了常規(guī)樁板結(jié)構(gòu)埋入深度大及開挖量大的問題，大幅降低了施工難度及風(fēng)險(xiǎn)，并且兼顧了防浪、防潮和防撞的功能；對結(jié)構(gòu)高度敏感并且兼顧防浪、防潮功能的樁板結(jié)構(gòu)具有參考和借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王峰.高速鐵路無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)路基理論與實(shí)踐[M].北京：中國鐵道出版社,2012.

[2]JTS 145-2-2013海港水文規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2001.

[3]TB10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

A New Type of Pile Plate Composite Structure

MaChun

(China Railway Siyuan Survey and Design Group, Wuhan 430063, China)

Abstract：The ordinary roadbed mostly uses conventional pile board structure, which generally consists of base, beam and bearing plate. But in some river bank area, because conventional pile plate structure overall structure height is higher, excavated volume is big, construction risk and construction difficulty are larger, the roadbed structure design puts forward higher requirements. This paper uses examples of worksite, combining with the design conditions, through the plan comparison, the detailed description of the design and optimization of pile plate structure is carried out. A new type of composite structure is put forward, and some results are given, which are available for reference for similar worksite.

Key words:pile board structure; combination; design

收稿日期：2015-01-30

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.037