一種用于樁板式路基的插入式十字型鋼接頭疲勞性能計(jì)算

朱 俊， 李劍鸞

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 工程背景

G0321德州至上饒高速公路合肥至樅陽(yáng)路段項(xiàng)目全長(zhǎng)134 km[1]。地理上分別經(jīng)過(guò)江淮波狀平原區(qū)(肥西縣)、舒城沖積平原區(qū)、大別山區(qū)和沿江丘陵平原區(qū)(桐城市、樅陽(yáng)縣)。其中舒城沖積平原,缺土明顯,只能遠(yuǎn)距離運(yùn)土;沿江丘陵平原,缺土明顯,局部孤丘、崗地可取土。

為解決本項(xiàng)目基本農(nóng)田保護(hù)、節(jié)約征地和環(huán)保要求以及缺土、取土困難等問(wèn)題[2],合樅高速采用了安徽省首創(chuàng)的基于工業(yè)化建造的公路新型樁板式結(jié)構(gòu)來(lái)代替常規(guī)填土路基。本項(xiàng)目共布設(shè)樁板式路基12.986 km,為目前全國(guó)采用樁板式路基里程最長(zhǎng)的一條新建高速公路。

新建高速公路樁板式無(wú)土路基以打入式預(yù)制管樁直接支撐鋼筋混凝土面板,預(yù)制板通過(guò)特有的連接裝置支撐在管樁樁頂形成一種簡(jiǎn)潔透空的承載結(jié)構(gòu)[3]。其柔性體系的結(jié)構(gòu)受力特性決定了該結(jié)構(gòu)要受到長(zhǎng)期疲勞荷載的作用,樁板接頭易受損傷。因此在對(duì)樁板式路基進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),要著重對(duì)樁板連接接頭進(jìn)行抗疲勞性能的分析計(jì)算[4]。

2 樁板接頭構(gòu)造

因樁板路基采用工業(yè)化建造,其板梁、管樁均為工廠預(yù)制構(gòu)件,較難采用常規(guī)的現(xiàn)澆式接頭。因此,設(shè)計(jì)考慮了一種“十字形鋼插入式剛性連接”方式。具體方案為:管樁內(nèi)插入“十”字形交叉鋼板,鋼板下部設(shè)托盤(pán)封閉填芯混凝土。管樁內(nèi)現(xiàn)澆無(wú)收縮填芯混凝土將十字形鋼板與管樁固結(jié)。十字形交叉鋼板上部設(shè)置法蘭盤(pán),連接螺栓貫穿螺栓孔,上端錨固于預(yù)制混凝土梁板頂部,下端錨固于法蘭盤(pán)上,螺栓孔內(nèi)灌漿后實(shí)現(xiàn)預(yù)制樁、板快速連接。具體樁板連接構(gòu)造如圖1所示。

圖1 十字形鋼插入式剛性連接構(gòu)造圖

本接頭方案消除了傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土連接結(jié)構(gòu)臨時(shí)設(shè)施多、現(xiàn)場(chǎng)工作量大的弊端。鋼構(gòu)件安裝、拆卸均較為方便,有利于日常使用養(yǎng)護(hù)與檢測(cè)。

3 疲勞計(jì)算分析模型

本次計(jì)算模型采用有限元軟件MIDAS Civil進(jìn)行數(shù)值分析。其中橋面板采用板單元模擬,劃分約為500 mm×500 mm一個(gè)單元,有限元模型中以不同板厚來(lái)模擬樁頂加腋部分和等厚部分。樁采用梁?jiǎn)卧M。模型總?cè)鐖D2所示。

圖2 模型總圖

樁板連接按所采用的型鋼截面形式按梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,接頭模型如圖3所示。

圖3 十字鋼板接頭有限元模型

采用如上計(jì)算模型對(duì)各樁樁頂軸力、彎矩進(jìn)行影響面分析,如圖4、圖5所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn):邊樁樁頂受力最為不利,故以邊樁的樁板連接單元為疲勞關(guān)注點(diǎn)[1]。

圖4 邊樁頂軸力影響面

圖5 邊樁頂縱向彎矩影響面

4 樁板接頭疲勞分析計(jì)算

4.1 疲勞荷載模型

新修訂的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定了3種疲勞荷載計(jì)算模型[5],分別為:

(1) 疲勞荷載模型Ⅰ:采用等效的車(chē)道荷載,與其他疲勞荷載計(jì)算模型相比,該模型比較保守。

(2) 疲勞荷載模型Ⅱ:采用雙車(chē)模型。

(3) 疲勞荷載模型Ⅲ:采用單車(chē)模型,其車(chē)重最重,輪數(shù)較少,適用于直接承受車(chē)輪荷載的橋面系構(gòu)件的疲勞計(jì)算。

考慮到樁板結(jié)構(gòu)橋面板的跨徑只有6m,直接承受車(chē)輪荷載的局部效應(yīng)明顯,故適宜采用疲勞荷載計(jì)算模型Ⅲ作為疲勞加載車(chē)輛。

4.2 沖擊系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)第5.5.3條規(guī)定[6],疲勞荷載應(yīng)乘以額外的放大系數(shù),放大系數(shù)φ應(yīng)按下式取值:

Δφ={0.3(1-D6)(D≤6)

0(D>6)

式中:D為驗(yàn)算截面到伸縮縫的距離,m。

由于樁板式路基邊樁的疲勞驗(yàn)算接頭位置距離伸縮縫的距離為6 m,由上式可見(jiàn),放大系數(shù)應(yīng)為0。

4.3 損傷等效系數(shù)γ

損傷等效系數(shù)γ=γ1·γ2·γ3·γ4,且γ≤γmax。

由于疲勞車(chē)輛在不同橫向位置軌跡上行駛(根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,左右輪跡線可能左偏或者右偏最大0.2 m)時(shí),鋼接頭的應(yīng)力循環(huán)特征不會(huì)存在明顯不同。因此,疲勞分析中,不考慮車(chē)輛輪載橫向分布的影響。

根據(jù)以上,考慮到缺乏交通量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),保守起見(jiàn),取損傷等效系數(shù)γ=γmax=1.8。

4.4 移動(dòng)荷載步分析

采用前述的疲勞荷載模型Ⅲ對(duì)樁板結(jié)構(gòu)的橋面板進(jìn)行移動(dòng)荷載步分析,獲得十字形鋼插入式樁板接頭的內(nèi)力歷程,如圖6、圖7所示。

圖6 樁板接頭順橋向彎矩效應(yīng)的內(nèi)力歷程

圖7 樁板接頭軸力效應(yīng)的內(nèi)力歷程

圖6、圖7中,橫坐標(biāo)為疲勞荷載模型Ⅲ的前軸距離伸縮縫的距離,縱坐標(biāo)分別為彎矩和軸力效應(yīng)。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015),本項(xiàng)目所采用的十字形鋼插入式樁板接頭疲勞關(guān)注點(diǎn)為圖8中的① 和②。

圖8 樁板接頭疲勞關(guān)注點(diǎn)

然后,根據(jù)彎矩效應(yīng)和軸力效應(yīng)的內(nèi)力歷程,通過(guò)材料力學(xué)公式的反算,可以得到每一步荷載步下的疲勞關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力歷程,如圖9、圖10所示。

圖9 樁板接頭細(xì)節(jié)① 位置應(yīng)力歷程

圖10 樁板接頭細(xì)節(jié)② 位置應(yīng)力歷程

圖9、圖10中,橫坐標(biāo)為疲勞荷載模型Ⅲ的前軸與伸縮縫的距離,縱坐標(biāo)為疲勞關(guān)注點(diǎn)的應(yīng)力。

4.5 規(guī)范驗(yàn)算

樁板接頭為鋼構(gòu)件,可按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行疲勞評(píng)估。根據(jù)上述規(guī)范，按200萬(wàn)次疲勞循環(huán)換算得到的十字形鋼插入式樁板接頭細(xì)節(jié)① 的等效常值應(yīng)力幅為:Δσ=(1+Δφ)γ(σpmax-σpmin)=1.0×1.8×(5.23+24.5)=53.5MPa；細(xì)節(jié)② 的等效常值應(yīng)力幅為:Δσ=(1+Δφ)γ(σpmax-σpmin)=1.0×1.8×(2.64+21.27)=43.0 MPa。

根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范,疲勞細(xì)節(jié)的S-N曲線如圖11所示:

圖11 疲勞細(xì)節(jié)S-N曲線

對(duì)于細(xì)節(jié)①，可認(rèn)為其對(duì)應(yīng)ΔσC=160 MPa細(xì)節(jié),γFfΔσE2=53.5 MPa≤ksΔσCγMf=1601.35=118.5 MPa,滿足疲勞要求!

對(duì)于細(xì)節(jié)②,其對(duì)應(yīng)ΔσC=125 MPa細(xì)節(jié),γFfΔσE2=43 MPa≤ksΔσCγMf=1251.35=92.6 MPa,滿足疲勞要求!

5 結(jié) 論

新建高速公路樁板式無(wú)土路基其柔性體系的結(jié)構(gòu)受力特性決定了該結(jié)構(gòu)要受到長(zhǎng)期疲勞荷載的作用。考慮到樁板結(jié)構(gòu)橋面板的跨徑只有6 m,直接承受車(chē)輪荷載的局部效應(yīng)明顯,故適宜采用通規(guī)規(guī)定的疲勞荷載計(jì)算模型Ⅲ作為疲勞加載車(chē)輛。

通過(guò)采用MIDAS Civil軟件建立樁板結(jié)構(gòu)的疲勞分析模型,選取受力最不利的邊樁的樁板連接單元為疲勞關(guān)注點(diǎn),對(duì)一種用于樁板式路基的插入式十字形鋼接頭進(jìn)行接頭疲勞應(yīng)力驗(yàn)算之后發(fā)現(xiàn):

疲勞分析中接頭應(yīng)力幅值最大的鋼結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力幅未超過(guò)容許應(yīng)力幅,不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。接頭處十字形鋼板不會(huì)出現(xiàn)受拉開(kāi)裂或受壓破壞的情況,同樣滿足疲勞要求。

綜上所述,設(shè)計(jì)所采用的十字形鋼插入式剛性樁板連接方案消除了傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土連接結(jié)構(gòu)臨時(shí)設(shè)施多、現(xiàn)場(chǎng)工作量大的弊端。鋼構(gòu)件安裝、拆卸均較為方便,有利于日常使用養(yǎng)護(hù)與檢測(cè)。同時(shí)其疲勞性能有充分的保證,可以作為優(yōu)選的樁板連接實(shí)施方案。