樁板式路基結(jié)構(gòu)抗震性能分析

方正東，竇巍，張浩

（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.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 前言

G3W高速地處安徽省中部，沿途經(jīng)過(guò)合肥市、六安市、安慶市及銅陵市，是我省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中“縱三”高速的一段。G3W高速合肥到樅陽(yáng)段樁板式路基總長(zhǎng)19.5km，標(biāo)準(zhǔn)跨徑6m，等跨徑布置，15孔一聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)長(zhǎng)90m。橋面板采用縱向分塊預(yù)制，管樁與梁板采用固結(jié)連接。

本文以k97+237.5段樁板路基為例，選取聯(lián)長(zhǎng)132m、墩高8m的樁板路基（這種工況下結(jié)構(gòu)上部質(zhì)量最大、墩高最高為樁基最不利受力工況），作為抗震計(jì)算分析對(duì)象，采用管樁基本情況如表1。

管樁基本情況 表1

勘察場(chǎng)地位于抗震設(shè)防烈度為7度。本區(qū)內(nèi)Ⅱ類場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震峰值加速度0.10g，反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

1 計(jì)算模型和驗(yàn)算內(nèi)容

1.1 有限元模型建立

主梁采用免涂裝高性能耐候鋼，根據(jù)橋面寬度的不同，橫向截面就采用不同的免涂裝高結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力反應(yīng)分析采用空間結(jié)構(gòu)的有限單元方法，計(jì)算模型以順橋向?yàn)閤軸，橫橋向?yàn)閥軸，豎向?yàn)閦軸。本次計(jì)算模型采用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500mm×500mm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（50cm厚）和等厚部分（26cm厚）；樁采用三維梁?jiǎn)卧M下部結(jié)構(gòu)，根據(jù)地質(zhì)資料按“m法”計(jì)算樁基－土相互作用，節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬土對(duì)樁基礎(chǔ)約束作用。圖1為Midas Civil動(dòng)力有限元模型圖（1號(hào)墩為邊墩，2號(hào)墩1/4跨處墩，3號(hào)墩1/2跨處墩）。

圖1 動(dòng)力有限元分析模型

1.2 荷載組合

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）3.4.2，地震作用效應(yīng)組合應(yīng)包括永久作用效應(yīng)+地震作用效應(yīng)，組合方式應(yīng)包括各種效應(yīng)的最不利組合，應(yīng)當(dāng)考慮縱向、橫向以及豎向三個(gè)方向地震作用效應(yīng)。

1.3 驗(yàn)算內(nèi)容

根據(jù)樁板路基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算以下內(nèi)容：①E1、E2地震作用下樁板連接接頭抗剪承載力及偏心受壓承載力驗(yàn)算；②E1、E2地震作用下橋墩PRCI-500AB110管樁抗剪承載力及偏心受壓承載力驗(yàn)算；③E1、E2地震作用下樁基PHC-500AB110管樁抗剪承載力及偏心受壓承載力驗(yàn)算。

2 E2地震作用下反應(yīng)分析結(jié)果

2.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最大位移

在E2地震的輸入下，利用反應(yīng)譜分析方法，可以得到結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)，其結(jié)果見表3。

抗震計(jì)算基本信息 表2

E2地震關(guān)鍵點(diǎn)最大位移 表3

2.2 管樁控制截面最大地震內(nèi)力

E2地震作用的輸入下，利用反應(yīng)譜分析方法，可以得到各橋墩關(guān)鍵截面的地震響應(yīng)，其結(jié)果分別見表4和表5。

E2地震作用下橋墩控制斷面內(nèi)力值（縱向＋豎向輸入） 表4

E2地震作用下橋墩控制斷面內(nèi)力值（橫向＋豎向輸入） 表5

A縱向+豎向地震見表4。

B橫向+豎向地震輸入見表5。

3 截面抗震驗(yàn)算

3.1 驗(yàn)算結(jié)果

針對(duì)采用反應(yīng)譜方法計(jì)算所得的地震內(nèi)力，并與恒載內(nèi)力組合，進(jìn)行了截面抗彎能力的驗(yàn)算。由于E1地震作用下，樁板接頭以及管樁內(nèi)力和位移均較小，結(jié)構(gòu)顯然處于線彈性狀態(tài)，因此，僅列出E2地震作用下內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果。

3.1.1 E2地震作用下樁板連接接頭驗(yàn)算

表6所示為E2縱橋向和橫橋向地震輸入下樁板連接接頭抗剪驗(yàn)算結(jié)果。

樁板連接接頭抗剪驗(yàn)算 表6

由表6可知，樁板連接接頭在E2縱橋向和橫橋向地震作用下抗剪驗(yàn)算滿足要求，安全系數(shù)最小為5.5。

E2地震作用樁板連接接頭偏心受壓承載能力驗(yàn)算結(jié)果，表7所示為E2縱橋向和橫橋向地震輸入下樁板連接接頭偏心驗(yàn)算結(jié)果：

樁板連接接頭抗彎驗(yàn)算（驗(yàn)算軸力=恒載軸力-地震動(dòng)軸力） 表7

計(jì)算過(guò)程中取結(jié)構(gòu)最不利軸力組合，并且分別用Mander模型和雙折線模型定義混凝土和鋼材材料本構(gòu)關(guān)系，求得彎矩-曲率（P-M-Φ）曲線以判斷結(jié)構(gòu)是否進(jìn)入屈服狀態(tài)。圖2為1#墩樁板接頭在縱向地震作用下初始屈服彎矩計(jì)算結(jié)果：

圖2 初始屈服彎矩計(jì)算結(jié)果

由表7可知，樁板連接接頭在E2縱橋向和橫橋向地震作用下受力始終處于彈性狀態(tài)，截面彎矩M＜Meq，安全系數(shù)最小為1.1，結(jié)構(gòu)基本無(wú)損傷，接頭處未進(jìn)入塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)塑性鉸，無(wú)需進(jìn)行塑性轉(zhuǎn)角變形驗(yàn)算，滿足抗震計(jì)算要求。

3.1.2 E2地震作用下橋墩（PRC管樁）驗(yàn)算

表8所示為E2縱橋向和橫橋向地震輸入下橋墩（PRC管樁）抗剪驗(yàn)算結(jié)果。

橋墩（PRC管樁）抗剪驗(yàn)算 表8

由表8可知，橋墩PRCI-500AB110管樁在E2縱橋向和橫橋向地震作用下抗剪驗(yàn)算滿足要求，安全系數(shù)最小為6.1。

表9所示為E2縱橋向和橫橋向地震輸入下橋墩（PRC管樁）抗彎驗(yàn)算結(jié)果。

橋墩（PRC管樁）抗彎驗(yàn)算 表9

由表9可知，橋墩PRCI-500AB110管樁在E2縱橋向和橫橋向地震作用下受力始終處于彈性狀態(tài)，截面彎矩M＜Meq，安全系數(shù)最小為1.6，結(jié)構(gòu)基本無(wú)損傷，橋墩未進(jìn)入塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)塑性鉸，無(wú)需進(jìn)行塑性轉(zhuǎn)角變形驗(yàn)算，滿足抗震計(jì)算要求。

4 地震反應(yīng)分析結(jié)論

根據(jù)樁板路基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了空間動(dòng)力計(jì)算模型，應(yīng)用反應(yīng)譜分析方法，研究結(jié)構(gòu)在E1、E2地震作用下的地震反應(yīng)，并對(duì)E1、E2地震作用下的抗震性能進(jìn)行了驗(yàn)算，樁板連接接頭、橋墩PRC管樁、樁基PHC管樁的抗剪承載力和抗彎承載力均滿足抗震設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)均處于線彈性工作狀態(tài)，基本無(wú)損傷。

合樅高速公路所處地區(qū)設(shè)防烈度為7度，在地震作用下結(jié)構(gòu)順橋向響應(yīng)大于橫橋向響應(yīng)，在結(jié)構(gòu)目前尺寸及配筋情況下，抗震性能良好，滿足抗震規(guī)范相關(guān)要求。