裝配化樁板式無土路基受力性能研究

丁 楠， 殷 濤

(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)

0 引 言

目前，按我國早期公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)修建的許多高速公路均表現(xiàn)出通行能力差、服務(wù)水平低等現(xiàn)象，無法適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，高速公路改擴(kuò)建迫在眉睫[1-3]。但傳統(tǒng)改擴(kuò)建存在征地困難、填土量大、施工周期長等問題[1]。為有效解決這一難題，我公司提出裝配化樁板式無土路基(以下簡稱“樁板式路基”)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在既有碼頭[4]、鐵路樁板路基結(jié)構(gòu)[5,6]等工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速公路荷載特點(diǎn)形成的一種新型樁板梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由預(yù)制板、管樁組成框架結(jié)構(gòu)體系，具有裝配化程度高、施工質(zhì)量好、施工速度快、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，而且可以節(jié)約用地，但其受力性能尚待研究。

1 樁板式路基試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確把握樁板式路基的結(jié)構(gòu)性能，以某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目為背景，如圖1所示，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

圖1 樁板式路基結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工圖

本項(xiàng)目樁板式路基左側(cè)懸臂板寬2.0 m，右側(cè)板寬5.3 m，總預(yù)制板寬7.3 m，現(xiàn)澆與路基搭接寬度為1.5 m。標(biāo)準(zhǔn)跨徑6 m，等跨徑布置，7孔一聯(lián)，聯(lián)長42 m,如圖2所示。 橋面板采用縱向分塊預(yù)制，相鄰預(yù)制板之間由濕接縫進(jìn)行連接，濕接縫寬度0.5 m。橫向跨中板厚26 cm，懸臂端厚20 cm，加腋根部46 cm厚，沿順橋向等厚度布置,如圖3a所示。聯(lián)端板橫向跨中板厚為46 cm，縱向加厚范圍為聯(lián)端1 m，如圖3b所示。

圖2 聯(lián)長布置立面圖

a.中支點(diǎn)橫斷面圖

下部結(jié)構(gòu)采用PRC-I 500C100型管樁+PHC 500AB100型管樁的配樁形式，管樁與梁板采用半固結(jié)連接方式，如圖4所示。

圖4 樁頂與梁板連接

2 樁板式路基有限元分析

2.1 樁板式路基有限元模型

為詳細(xì)了解樁板式路基的受力性能，選取一聯(lián)42 m結(jié)構(gòu)，利用ANSYS建立三維空間有限元模型進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 樁板式路基有限元模型

單元類型：梁體與地面以上樁體采用SOLID95單元；鋼筋、護(hù)欄立柱與地面以下樁體采用BEAM 188單元；梁體與路基接觸部分、樁土接觸部分、護(hù)欄立柱與土接觸部分采用彈簧單元COMBIN 14，模擬路基對(duì)梁以及土對(duì)樁體和立柱的作用[7]。彈簧的剛度依據(jù)“M”法計(jì)算得到土的水平作用效應(yīng)，其中土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)取用10 MN/m4。

邊界條件：在樁與護(hù)欄底部施加豎向彈簧支撐，聯(lián)端支座位置僅施加豎向支撐。

考慮到長期使用后，彈性混凝土可能因受到外界損傷而失效，所以樁板連接處只考慮受力鋼筋的連接作用，如圖6所示。

圖6 數(shù)值分析中的樁板連接

2.2 荷載工況

計(jì)算中主要考慮了自重、二期荷載、均勻溫度作用、梯度溫度作用以及汽車荷載等作用，均依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定取值。汽車荷載考慮兩車道作用，橫向布載形式考慮4種工況，如圖7所示：①外側(cè)輪載對(duì)稱在肋板兩側(cè)；②外側(cè)輪載在肋板正上方；③輪載對(duì)稱在橫向跨中；④一輪載在橫向跨中正上方。

圖7 汽車荷載布載模式

2.3 板計(jì)算

2.3.1 板結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

對(duì)各板塊縱、橫向承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，見表1、表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)縱向受力最大位置在肋板上，且跨中彎矩較支點(diǎn)負(fù)彎矩大，橫向受力最大位置在聯(lián)端，通過合理配筋，各板塊承載能力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

表1 各板塊縱向受力承載能力驗(yàn)算

表2 各板塊橫向受力承載能力驗(yàn)算

2.3.2 板結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

作用組合采用頻遇組合。根據(jù)表3、表4計(jì)算結(jié)果可知，通過現(xiàn)有配筋，計(jì)算裂縫寬度可以滿足規(guī)范要求。

表3 各板塊縱向受力正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

表4 各板塊橫向受力正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

2.4 管樁計(jì)算

2.4.1 管樁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

樁頂受到彎矩與軸力共同作用，屬于偏壓構(gòu)件。經(jīng)計(jì)算，基本組合作用下，軸力效應(yīng)最大的樁所受軸力為-1 264 kN，對(duì)應(yīng)彎矩為64 kN·m；彎矩效應(yīng)最大的樁所受軸力為-1 071 kN，對(duì)應(yīng)彎矩為95 kN·m。

根據(jù)《混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(DBJT20-60)，PRC-I 500C100管樁的抗彎承載力設(shè)計(jì)值為332 kN·m，樁身豎向承載力設(shè)計(jì)值為3 800 kN。故采用PRC-I 500C100可以滿足極限承載能力要求。

2.4.2 管樁正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算，在頻遇組合作用下，管樁最大應(yīng)力為-9.40 MPa，滿足規(guī)范要求。

2.5 板縱向位移計(jì)算

樁板式路基采用500 mm直徑的管樁，剛度較小，需要對(duì)縱向位移進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算對(duì)比分析了無護(hù)欄立柱與有護(hù)欄立柱的情況，如圖8、圖9所示。

圖8 無護(hù)欄立柱時(shí)，板的縱向位移圖(單位：mm)

圖9 有護(hù)欄立柱時(shí)，板的縱向位移圖(單位：mm)

由圖8、圖9可以看出，護(hù)欄立柱使得板縱向位移減少了84%，在作用基本組合效應(yīng)下結(jié)構(gòu)的縱向最大位移為8.91 mm。

3 造價(jià)分析

樁板式路基標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)每平米造價(jià)分析見表5。

表5 樁板式路基標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)每平方米造價(jià)分析

4 結(jié) 論

通過以上分析可以看出：

(1)裝配化樁板式路基結(jié)構(gòu)上部板梁橫向跨中采用26 cm板厚、肋板采用46 cm板厚時(shí)，通過適當(dāng)配筋，可以有效保證板結(jié)構(gòu)受力安全性，并能滿足其正常使用極限狀態(tài)要求。

(2)下部結(jié)構(gòu)采用PRC-I 500C100+ PHC 500AB100型管樁的配樁形式時(shí)，管樁承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)均可以滿足規(guī)范要求。

(3)在混凝土板與路堤橫向搭接位置，將護(hù)欄立柱打入土中并與板連接可以有效約束結(jié)構(gòu)整體縱向位移，在作用基本組合效應(yīng)下結(jié)構(gòu)的縱向最大位移為8.91 mm。

(4)樁板式路基工程造價(jià)為1 708元/m2，具有相當(dāng)經(jīng)濟(jì)性。