一種樁板式結(jié)構(gòu)受力性能分析

王錦濤

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

樁板式結(jié)構(gòu)是近年來新興的一種路基結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)剛度大，工后沉降小等優(yōu)點，可以很好地替換傳統(tǒng)的填土路基拼寬。由于該結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)路基的放坡寬度，因此較大節(jié)省了征地面積；同時結(jié)構(gòu)物中的板梁、管樁等可在工廠預(yù)制，現(xiàn)場組裝，因此大大提高了施工速度；而且該結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)利用原有的涵洞、水溝等附屬設(shè)施，既能加快施工進度又可以節(jié)約工程造價。同時，該結(jié)構(gòu)可以改變公路路基路面的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和傳統(tǒng)建造方式，取消了混凝土結(jié)構(gòu)上傳統(tǒng)設(shè)置的伸縮縫，預(yù)制梁板高架于按一定間距布置的支撐管樁上，結(jié)構(gòu)具有完全消除自身縱向伸縮變形的能力，理論上可以無限無縫延長。目前國內(nèi)對于樁板式結(jié)構(gòu)的分析研究也進行了大量理論研究[1-3]。因此，本文通過采用有限元軟件分析，同時與實際工程結(jié)合，研究樁板式結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，以期對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用起到一定的借鑒作用。

1 有限元模型

本文依托合巢蕪高速公路改擴建工程，該結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面，如圖1所示。橋面寬度為8.77 m，橫向布置兩排樁。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)跨徑設(shè)置為6 m，等跨徑布置，采用15孔一聯(lián)，聯(lián)長90 m。橋面板采用縱向分塊預(yù)制，每兩塊相鄰預(yù)制板之間由濕接縫進行連接，濕接縫寬度為0.3 m。中部各樁板連接位置均采用固結(jié)方式，聯(lián)端設(shè)滑板式活動支座。

本文在進行分析計算時利用ANSYS有限元軟件，其中單元類型方面橋面板用SOLID65單元模擬；管樁用BEAM188單元模擬，考慮鋼板、鋼筋與混凝土之間的剛度等效；實體模型與梁單元模型之間用MPC184單元進行多尺度連接處理[4]；土彈簧采用COMBIN14單元進行模擬。整體結(jié)構(gòu)ANSYS有限元模型如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

圖2 ANSYS有限元模型

在荷載組合工況方面本文采用基本組合情況下考慮車道荷載，同時依據(jù)規(guī)范[5]采用均布荷載加集中力的方式處理，而且考慮左偏右偏中間三種情況進行加載，以得到最不利狀態(tài)下的彎矩(軸力)。同時考慮縱向布載按照影響線加載方式，經(jīng)分析采取第一跨跨中影響線以及第三排樁支點影響線兩種布載方式。

2 結(jié)果分析

為了充分考慮加載工況的影響，本文的分析方式有12種之多，因此為節(jié)省篇幅僅展示部分位移云圖和應(yīng)力云圖，其余最終整合匯總用以分析。

經(jīng)計算可得基本組合作用下工況1(車道荷載右偏，按第一跨跨中影響線加載，升溫工況)，順橋向最大位移發(fā)生在混凝土板，最大位移9.72 mm，全橋位移云圖如圖3所示。第一跨跨中處左肋豎向應(yīng)力云圖如圖4所示，同時按照1 m寬度進行積分計算可得該處彎矩和軸力，積分結(jié)果見表1。

圖3 全橋位移云圖

圖4 第一跨跨中處左肋豎向應(yīng)力云圖

表1 工況1最不利位置處彎矩與軸力

由于積分時取用的上下緣拉壓應(yīng)力是以最大值，或以小于計算寬度范圍的分布應(yīng)力值為準(zhǔn)進行計算的，所以計算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力在驗算過程中是偏保守的。

最終整合基本組合車道荷載12種加載方式計算所得結(jié)果，提取每種加載工況的順橋向最大位移，可知最大位移發(fā)生在工況1，最大位移為9.72 mm。同時統(tǒng)計12種工況的最大彎矩以及最大軸力列于表2。

表2 各工況下各位置處的最大彎矩與軸力

由表2可知：

按照車道荷載加載，橋面板第一跨跨中處縱向最大彎矩不大于320 kN·m，軸力不大于-696 kN；橋面板第三跨支點處縱向最大彎矩不大于-222 kN·m，軸力不大于839 kN。

按照車道荷載加載，橋面板第一跨跨中處橫向最大彎矩不大于-119 kN·m，軸力不大于301 kN；橋面板第三跨支點處橫向最大彎矩不大于-125 kN·m，軸力不大于300 kN。

3 結(jié) 論

通過分析上述計算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)經(jīng)分析工況1加載情況下板頂部縱向位移最大，為9.72 mm。由于該項目樁體覆土深度大，結(jié)構(gòu)整體剛度大，故最不利工況的最大位移較其他項目偏小。

(2)由于計算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力在驗算過程中是偏保守的，通過分析各位置處彎矩和軸力可知結(jié)構(gòu)受力在容許范圍內(nèi)，因此該樁板式結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠，應(yīng)用前景廣闊。