樁板式無土路基上部結構計算與設計

郭 科

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著工程設計和建設水平的不斷提升，公路橋涵逐漸朝著更高水平的標準化、工廠化、機械化方向發(fā)展。在高速公路改擴建工程中，為減少路基拼寬的工后沉降、取消邊坡放坡，節(jié)省征地面積，樁板式無土路基應運而生。樁板式無土路基結構體系為預制板與管樁固結形成的框架體系，預制板梁、管樁可工廠生產，現場安裝，施工速度快，同時可避免既有橋涵結構物接長，邊溝等附屬設施可繼續(xù)利用，能有效地充分利用既有結構，工程經濟效益顯著。樁板式無土路基上部結構為雙向受力體系，恒荷載占荷載比重較低，活載占荷載比重較高，溫度梯度、沉降對結構受力影響較大，結構受力較為復雜，是計算和設計的難點，見圖1。

1 結構計算

1.1 結構尺寸擬定

從考慮標準化、工廠化的角度出發(fā)，上部結構采用整體式預制板，為進一步降低結構自重，采用矮肋式變截面結構，整體式正交板橋的板厚通常取跨徑(縱橋向跨徑為6m)的1/20～1/15，結合擴建部分路基寬度，最終確定樁板式無土路基上部結構尺寸，見圖2。

橫斷面分為預制和現澆兩部分，標準橫斷面預制段長11.8m，現澆部分0.95m；截面板厚：橫向跨中30cm，翼端18cm，肋板處厚50cm，沿順橋向等厚布置。預制板共有A、B、C、C’4種，C、C’與B板型式一致，其中A、B板預制板長2700mm，C、C’板預制板長為2020mm。兩塊預制板之間通過現澆接縫連接(接縫寬度300mm)，1聯兩端設置伸縮縫，見圖3、圖4。

1.2 計算模型

橋梁整體計算采用通用軟件Midas Civil進行。預制板采用空間板單元，樁柱采用梁單元；護欄及橋面鋪裝通過添加線型荷載方式模擬；橋臺、梁體與路基接觸部分僅考慮豎向約束，梁體與橋墩接觸部分按鉸接考慮，僅對DX/DY/DZ三個方向約束, 樁徑采用 500mm，樁土接觸部分為節(jié)點彈性支撐，給出SDX/SDY方向剛度，土的地基系數的比例系數按10000kN/m4取值。

計算按橋梁施工流程劃分的順序，對施工階段及運營階段均進行內力、應力、結構剛度的計算，由于采用板單元計算，有限元模型無法考慮鋼筋的作用。根據橋梁的實際施工過程和施工方案劃分施工階段，進行荷載組合，求得結構在施工階段和運營階段時的內力，按相關規(guī)范中所規(guī)定的各項容許指標，驗算預制板在極限承載力、正常使用性能等方面是否滿足要求。全橋模型按3～6m一聯建立，板單元共劃分2400個單元，計算模型見圖5。

1.3 計算參數

(1)結構自重：鋼筋混凝土容重為26kN/m3。

(2)橋面鋪裝：混凝土鋪裝8cm厚(考慮4cm參與預制板受力)，瀝青混凝土鋪裝8cm厚，容重為24kN/m3。

(3)二期恒載：橋面鋪裝及兩側護欄4.34kN/m2。

(4)溫度荷載：整體升溫25℃，整體降溫-35 ℃；頂底板溫差：正溫差+10℃，反溫差-5℃。Midas 板單元計算收縮徐變較困難(需要根據具有不同理論厚度的板單元定義多個材料)，在計算過程中，按降溫10℃來近似考慮收縮徐變效應。

(5)支座不均勻沉降：各支座均按5mm取值，與路基銜接處按5mm考慮沉降。

(6)汽車荷載：按車道面加載，考慮三車道作用。

(7)安全等級：一級。

1.4 移動荷載工況

為找出移動荷載橫向最不利位置，考慮3種移動荷載工況，通過試算，基本滿足實際移動荷載橫向移動情況，這3種工況分別為：

(1)工況1：距板懸臂外側1m橫向布置3車道。

(2)工況2：橫向在兩個橋墩中間對稱布置2車道。

(3)工況3：橫向在兩個橋墩中間對稱布置2車道，在靠路基側懸臂上方布置1車道。

EOT和單位面積電容值(COX)與高k柵介質材料的k值(εHK)的關系如式(1)和式(2)所示。其中,εSiO2代表SiO2的相對介電常數,ε0代表真空介電常數,THK代表高k柵介質層的實際物理厚度。

本文僅給出工況1圖示，見圖6。

對3種移動荷載工況不同部位(計算部位見圖7)縱橫向正截面彎矩進行比較，比較結果見表1。

表1 正截面移動荷載彎矩計算結果匯總(截面單位寬度最大值)

根據計算結果移動荷載工況1正截面彎矩最大，即移動荷載偏載最不利，因此計算結果取移動荷載取工況1進行荷載組合。

2 內力計算結果及配筋設計

2.1 內力計算結果

以結構跨中、支點斷面為控制斷面，在圖6所示計算部位，給出單位板寬相應的效應值和承載能力值。預制板縱橫向彎矩圖見圖8、圖9，正截面抗彎承載能力計算結果見表2，表2中承載能力富裕80%以上部位是裂縫控制設計。

2.2 配筋計算與設計

2.2.1配筋計算

配筋計算采用不同板厚度下空間板單元模型內力計算的最不利荷載組合值，取節(jié)點平均值，根據相關規(guī)范進行強度及裂縫寬度驗算，按Ⅱ類環(huán)境考慮，最大裂縫寬度按0.2mm控制。梁板配筋采用條分法配筋，根據不同部位的應力狀況配筋。預制板縱橫向正常使用極限狀態(tài)下正截面彎矩及配筋結果見表3。

表2 正截面抗彎承載能力計算結果(kN·m)

表3 正截面彎矩及配筋計算結果

注：表3中每米大于10根采用束筋，鋼筋均采用HRB400

(1)鋼筋“設計標準化”：預制梁板節(jié)段采用模塊化配筋，預制梁板節(jié)段設置的節(jié)段受力鋼筋骨架、端部連接鋼筋骨架各自獨立，主要在中、邊板縱向主鋼筋直徑上進行變化，鋼筋縱、橫向標準間距均為100mm。

(2)不同預制構件上的兩排U型鋼筋對向重疊交叉形成O型鋼筋結構，內設多個支墊鋼筋，灌注承壓混凝土后形成錨具式連接。鋼筋連接的傳統模式和傳力機理被改變，濕接縫寬度減小，接縫構造簡化，現場連接簡捷，材料使用減少。

(3)以本文計算結果，橫橋向寬11.8m，縱橋向3～6m為1聯的樁板式無土路基上部結構體積配筋率為207.4kg/m3。

3 結論與討論

樁板式無土路基作為高速公路建設中的一種新型標準化技術實踐，響應了交通運輸部關于實施綠色公路建設的指導意見。通過采用有限元分析軟件Midas Civil對樁板式無土路基上部結構進行建模分析，并通過軟件求得的板單元彎矩進行配筋設計，為今后新型標準化技術在高速公路項目中開展深化應用提供了有益的結構計算依據，得出的主要結論如下：

(1)預制板建議采用矮肋式變截面，從圖8及表2中可以看出梁板矮肋有效地承擔了縱向彎矩，橫橋向可以取較小板厚，有效減少上部結構自重，減小吊裝重量，節(jié)約工程造價。

(2)對于北方嚴寒地區(qū)，建議預制板上方增加混凝土鋪裝，以降低在凍融、除冰鹽環(huán)境下瀝青路面結構破壞對預制板的影響，結構計算時可考慮橋面鋪裝參與受力，雖二期荷載增加，但結構尺寸及配筋增加不明顯。

(3)結構計算時，通過比對不同約束條件下的內力結果，發(fā)現梁體與橋墩接觸部分按鉸接考慮比按剛性連接考慮更接近實際受力狀態(tài)。

(4)考慮到預制板板厚較薄，結構配筋不宜采用大直徑鋼筋，建議采用直徑25mm及以下鋼筋。

(5)給出了樁板式無土路基上部結構體積配筋率，為該種結構與填土路基進行方案比較提供了工程造價方面的計算依據。