新建項(xiàng)目中樁板式無土結(jié)構(gòu)的性能研究

王 倩， 汪志甜， 朱 俊， 李劍鸞

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.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

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展,生態(tài)環(huán)保節(jié)能的要求提高,高速公路改擴(kuò)建日益增多,樁板式無土結(jié)構(gòu)在改擴(kuò)建應(yīng)用上具有天然優(yōu)勢(shì)[1],可以有效解決傳統(tǒng)路基的諸多問題,如征地取土困難,施工周期長(zhǎng),環(huán)境影響大,新路基不能穩(wěn)定沉降導(dǎo)致新老路基銜接處易出現(xiàn)裂縫和錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象等。因此樁板式無土結(jié)構(gòu)在改擴(kuò)建項(xiàng)目中應(yīng)用較多,對(duì)于新建高速公路,樁板式無土結(jié)構(gòu)同樣可以解決類似諸多問題。樁板式無土結(jié)構(gòu)取消了放坡寬度,解決了征地困難、填土量大的問題,預(yù)制板梁、管樁可在工廠完成,現(xiàn)場(chǎng)組裝,施工速度快,是一種綠色環(huán)保的新建造模式,目前在新建公路上應(yīng)用較少,其受力性能尚待研究。

1 項(xiàng)目概述

項(xiàng)目全長(zhǎng)134公里,地理上經(jīng)過波狀平原區(qū)、沖積平原區(qū)、大別山區(qū)和沿江丘陵平原區(qū),存在基本農(nóng)田保護(hù)、節(jié)約征地、環(huán)保等要求以及缺土、取土困難等難題。采用樁板式無土結(jié)構(gòu)可以有效解決該項(xiàng)目相關(guān)要求及難題。

該項(xiàng)目樁板式結(jié)構(gòu)6 m一跨,15跨一聯(lián)等跨徑布置,板寬12.74 m,管樁與梁板采用固結(jié)連接,結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。橋面板采用縱向分塊預(yù)制,相鄰預(yù)制板之間采用濕接縫連接,濕接縫寬度0.3 m。標(biāo)準(zhǔn)板跨中板厚26 cm,懸臂端厚26 cm,樁頂縱肋厚50 cm。為提高聯(lián)端板塊強(qiáng)度和剛度,聯(lián)端跨中板厚為加厚到50 cm,縱向加厚范圍為聯(lián)端1 m范圍。

圖1 樁板式無土結(jié)構(gòu)布置圖

下部結(jié)構(gòu)采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土高強(qiáng)管樁,長(zhǎng)度根據(jù)樁頂反力和地層條件計(jì)算確定,樁身配筋滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 406-2017)[2]的配筋要求。管樁采用PRC-I 500AB100型樁,C80混凝土,樁頂1.5 m范圍內(nèi)填芯混凝土,樁頂外套一直徑為53 cm的圓鋼管,與管樁端板焊接,采用橡膠條密封鋼管上、下部,通過預(yù)制板預(yù)留孔洞后澆C50無收縮混凝土與預(yù)制板形成固結(jié)。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 分析計(jì)算模型

本文利用MIDAS有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。橋面板采用板單元模擬,單元?jiǎng)澐珠L(zhǎng)度約500 mm,樁采用梁?jiǎn)卧M,單元?jiǎng)澐珠L(zhǎng)度1～2 m。計(jì)算假定樁板連接接頭40 cm長(zhǎng)度范圍中心柱起受力作用,周圍5 cm素混凝土不參與工作。地面以下樁受到土壓力的作用,采用土彈簧單元模擬土層壓力,使用節(jié)點(diǎn)彈性支撐建立縱橫向土彈簧,彈簧的剛度采用“M”法[3]計(jì)算得到。

預(yù)制混凝土板采用C40混凝土,接樁及濕接縫連接段混凝土采用C50無收縮混凝土。鑒于管樁端部打入強(qiáng)風(fēng)化巖內(nèi),樁端邊界按固結(jié)設(shè)置;聯(lián)端處,板梁與樁頂通過縱向、橫向可滑動(dòng)的支座連接;其他支座處板與管樁頂部的連接剛度按計(jì)算出的剛度值模擬。

2.2 荷載工況

結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮自重、二期荷載、均勻溫度作用、梯度溫度作用及汽車荷載作用。其中,均勻溫度按整體升、降溫20 ℃考慮;溫度梯度根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)[4]規(guī)定施加;汽車荷載取單向2車道,其布載形式分為四種: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;汽車制動(dòng)力每車道取165 kN。

2.3 板受力計(jì)算

2.3.1 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

考慮各項(xiàng)荷載的基本組合作用,板承載能力計(jì)算結(jié)果見表1,結(jié)構(gòu)縱向受力不利位置主要在肋板上,計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

表1 各板塊受力承載能力驗(yàn)算

2.3.2 正常使用狀態(tài)計(jì)算

考慮各項(xiàng)荷載的頻遇值組合,驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗裂性,結(jié)果見表2,通過合適的配筋,計(jì)算裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

表2 各板塊內(nèi)力與裂縫寬度驗(yàn)算

2.5 管樁受力計(jì)算

2.5.1 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

樁頂受彎矩與軸力共同作用,屬于偏壓構(gòu)件,經(jīng)計(jì)算,基本組合作用下樁基順橋向最大彎矩為128.2 kN·m,橫橋向樁頂最大彎矩為59.6 kN·m,樁頂最大軸力為1 271.2 kN。對(duì)于PRC-I 500AB100,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,采用二分法迭代計(jì)算,荷載效應(yīng)小于樁身承載能力。

管樁水平剪力主要由水平制動(dòng)力及溫度力提供,順橋向和橫橋向樁頂最大剪力分別為26.3 kN、 10.1 kN,根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》國(guó)標(biāo)圖集和文獻(xiàn)[5]計(jì)算得到管樁的剪力承載力達(dá)98 kN,滿足規(guī)范要求。

2.5.2 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)[6]要求,經(jīng)計(jì)算,在頻遇組合作用下樁頂最大拉應(yīng)力7.71 MPa,管樁有效預(yù)壓應(yīng)力7.79 MPa,故管樁在頻遇組合作用下不出現(xiàn)拉應(yīng)力,其正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。標(biāo)準(zhǔn)組合作用下管樁混凝土最大壓應(yīng)力25.1 MPa,小于0.5fck,滿足規(guī)范要求。

2.5.3 樁板接頭承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

基本組合作用下,樁板接頭樁頂所受最大彎矩1 658 kN·m,最大軸力1 121.5 kN,最大剪力53.5 kN。按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算得到樁板接頭抗壓承載能力如下式所示,剪力承載力213.9 kN,因此偏壓承載力和剪力承載力均滿足規(guī)范要求:

r0Nd=1.1×1110.5=1 221.6 kN

(1)

r0Nde0=1.1×165.8=182.4 kN·m

(2)

2.5.4 樁板接頭正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

頻遇組合作用下,樁板接頭裂縫計(jì)算寬度為0.15 mm,滿足規(guī)范2 mm限值要求。

3 結(jié)束語

(1) 新建高速公路樁板無土結(jié)構(gòu)的承載能力和正常使用驗(yàn)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求;正常使用計(jì)算狀態(tài)驗(yàn)算時(shí),考慮局部車輪荷載的作用,部分混凝土將會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象,但裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

(2) 樁板接頭按固結(jié)考慮接近實(shí)際情況,驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

(3) 目前,樁板式梁橋已經(jīng)在實(shí)際工程中得到應(yīng)用,填補(bǔ)了全國(guó)高速公路樁板式梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)踐的空白,但其長(zhǎng)期性能有待進(jìn)一步觀察。