公路樁板式結構地震響應規(guī)律分析

張金禮，張迎澳，左銳

（1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009）

0 引言

樁板式路基結構是一種新型樁板梁結構，是由工廠化預制的板、梁、管樁組成的框架結構體系，可有效控制路基沉降變形和縱向路基的不均勻沉降差。該結構最早應用于鐵路領域，詹永祥等[1-4]以遂渝鐵路無砟軌道段的樁板式路基結構為依托，進行了多項試驗研究，綜合比較了樁板結構與傳統(tǒng)橋梁結構的優(yōu)劣，并進行了不同跨度方案的初步比選。羅照新等[5]對比了容許應力法和極限狀態(tài)法在樁板結構設計中的應用合理性。馬斌等[6]借助有限元軟件，對樁板結構在豎向荷載作用下的Mises 應力分布規(guī)律進行模擬分析。蘇謙等[7]對鄭西線樁板式路基結構的構造設計和結構優(yōu)化進行研究，并通過室內模型試驗加以驗證。胡安華等[8]在模型試驗的基礎上，對遂渝線綜合試驗段樁板式路基結構的典型斷面進行長期觀測，結果表明樁板式結構能夠較好地解決路基不均勻沉降的問題。王洪剛[9]利用ABAQUS 軟件對斜坡地段樁板式路基結構的穩(wěn)定性進行模擬分析。

近幾年，樁板式結構在高速公路改擴建項目中的應用逐漸增加。2016 年合肥繞城高速公路隴西樞紐路段改擴建工程[10]為解決土地資源緊張問題并實現(xiàn)高安全性、快速節(jié)約的施工目標，使用了新型樁板式路基，并于2017 年通車運行。此后，合肥至樅陽高速公路濟南至祁門段[11]使用樁板式路基提升基礎承載力，節(jié)省填土面積和借土填方。2019年，雷進[12]依托G5011 蕪合高速公路林頭至隴西立交段改擴建工程，建立樁與板連接構造的非線性有限元模型，驗證了所設計的樁板連接構造滿足工程項目的實際應用。2020 年，徐皓甜[13]依托淮安市某高速公路改擴建項目，通過有限元模擬、參數(shù)化分析等手段，系統(tǒng)地研究了樁板式結構的承載和變形特性，研究確定了樁板式結構受力和變形的最不利工況，并給出了承載板厚度、肋中心懸臂端、樁間距和搭接寬度的建議值。

現(xiàn)階段基于高速公路改擴建的背景，樁板式結構在高速公路建設中的應用正在逐步推廣，但相應的理論研究還不夠完善，特別是抗震性能研究，基本處于空白狀態(tài)，制約了該類結構的推廣應用。因此，本文以G40 滬陜高速公路合肥至大顧店段改擴建工程中提出并實施的新型樁板式結構為研究對象，對遠場地震動作用下結構的地震響應規(guī)律進行分析，以期對該類結構的抗震設計提供有益借鑒。

1 新型樁板式結構概況

本文以G40滬陜高速公路合肥至大顧店段改擴建工程中提出并實施的新型樁板式結構為研究對象，該類結構主要分為上部結構、樁板連結構造以及下部結構，如圖1所示。

圖1 新型樁板式結構橫斷面圖

該工程中上部結構采用預制鋼筋混凝土板，標準跨徑6m，7 孔聯(lián)一聯(lián)，標準聯(lián)長42m，聯(lián)端設無縫伸縮縫，縫寬4cm，橋梁設計范圍內既有路基寬度為28m，拼寬后路基總寬度為42m，兩側各設置0.5m 防撞鋼護欄。設計范圍內板總寬8.75m，分為預制及現(xiàn)澆兩部分，預制部分寬度7.30m、現(xiàn)澆部分1.45m，預制板預留橫向鋼筋，與現(xiàn)澆部分連接成整體。

樁板連接采用套筒式連接構造，施工設計如圖2 所示，聯(lián)端樁與小蓋梁通過預埋鋼板與管樁端板焊接，梁板放置在小蓋梁上。下部采用先張法預應力混凝土高強管樁，采用PRC-I 500C 型管樁＋PHC 500AB 型管樁的配樁形式，上部為PRC 樁，下部為PHC 樁，長度根據(jù)樁頂反力與地層條件計算確定。

圖2 挑梁及立柱斷面圖

2 OpenSees精細化有限元模型

為真實、高效地模擬預應力管樁和樁板連接構造的非線性力學行為與破壞機制，本文基于OpenSees（Open System for Earthquake Engineering Simulation）軟件平臺進行樁板式結構非線性有限元模型的建立及地震分析。

采用彈塑性纖維單元模擬預制管樁及樁板連結構造截面。纖維單元是將截面劃分成一定數(shù)量的離散單元，一般包括鋼筋纖維和混凝土纖維，每個纖維都賦予其相應的力學特征，即本構模型。因此，纖維截面可以反映鋼筋、核心混凝土和保護層混凝土不同的力學特性，同時能夠考慮單向彎矩或雙向彎矩以及軸力對截面本構模型的影響?？紤]到預制板在地震作用中一般仍處于彈性階段，采用板殼單元模擬預制板來提高計算效率。本節(jié)以基準模型有限元模型為例，詳細介紹有限元建模方法，此后的分析均基于基準有限元模型。

2.1 有限元模型概述

在OpenSees 中建立了一聯(lián)（7 跨）樁板式結構，其中一跨6m，樁板連接構造高度為0.4m，樁長取10m，樁底采用固結，有限元模型如圖3所示。

圖3 OpenSees有限元模型

預應力管樁和樁板連接構造均為規(guī)則的圓截面，樁板連接構造的直徑為516mm，其中鋼護筒壁厚8mm，沿高度劃分為2 個非線性梁柱單元，箍筋采用直徑為10mm 的HPB300 鋼筋，縱向鋼筋采用12 根直徑為25mm 的HRB400鋼筋，內部灌漿料采用C50 補償收縮混凝土；預應力管樁的直徑為500mm，高為10m，預應力管樁身沿高度劃分為8個非線性梁柱單元，箍筋采用直徑為10mm 的HPB300 鋼筋，混凝土采用C80，保護層厚為50mm，填芯段縱向鋼筋采用12根直徑為25mm 的鋼筋，預制管樁的縱向鋼筋采用直徑為12mm 和12.6mm 的預應力鋼棒各12 根，混凝土的有效預壓應力為6MPa。

2.2 有限元模型材料本構

①混凝土本構模型

樁板連接構造中鋼護筒內的混凝土等級為C50，考慮鋼護筒對混凝土的約束作用，參考鋼管混凝土中的約束混凝土本構模型，其本構關系如圖4所示。

圖4 混凝土、鋼筋以及鋼護筒本構模型

預應力管樁的材料為C80高強混凝土，材料模型采用Kent-Park 模型，該模型物理意義較為明確、數(shù)值穩(wěn)定性好、能夠考慮混凝土在反復荷載作用下的剛度退化，因而使用較為廣泛。其保護層混凝土和約束混凝土的本構關系如圖4 所示。

②鋼筋和鋼護筒本構模型

本研究中鋼護筒、普通鋼筋和預應力鋼筋均采用Steel02 模型模擬，滯回法則為隨動強化，同時可以考慮拉壓方向的各項同性強化，其中預應力通過初應力法施加。鋼筋材料采用HRB400 級鋼筋，鋼護筒材料采用Q245 鋼材，鋼筋和鋼護筒的本構關系如圖4所示。

2.3 有限元模型驗證

為驗證OpenSees 有限元模型的正確性，采用通用有限元軟件SAP2000 計算了一聯(lián)樁板式結構的動力特性，與OpenSees 計算的動力特性結果對比如表1所示，結果顯示兩模型的前2階主振型周期誤差在1%以內，說明了OpenSees模型的正確性和適用性。

表1 前5階周期對比表

3 結果分析

本文基于考慮場地條件的反應譜，在太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center）分別選取了10 條實際遠場地震波，遠場地震波信息如表2 所示。采用縱向+豎向的地震動輸入方式對結構進行地震動分析。

表2 實際地震波資料

為探究在不同遠場地震強度下公路樁板式結構的地震響應，將10 條實際地震波的PGA 分別調幅至0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.30g、0.40g，分別對應《公路橋梁抗震設計規(guī)范》（JTG/T 2231-01-2020）中抗震設防烈度為VI、VII、VIII、IX。

計算得到樁身彎矩及位移分布如圖5所示，由圖5可知樁身彎矩及位移均呈反對稱分布，最大位置出現(xiàn)在樁板連接構造以及樁底處，反彎點出現(xiàn)在沿樁身1/2 高度處。為分析樁板連結構造以及預制管樁樁底在地震作用下的損傷發(fā)展規(guī)律，匯總六個不同強度地震動工況下兩個關鍵截面的彎矩曲率圖，如圖6 所示。

圖5 遠場地震動下樁身彎矩及位移分布圖

圖6 不同遠場地震動強度下樁板連接構造與管樁樁底彎矩曲率曲線圖

對比分析圖6 可知，隨著地震動強度不斷增加，預制管樁在地震動的PGA達到0.15g 時已經(jīng)開始進入非線性階段。而在PGA 由0.05g 增加到0.40g 的過程中，樁板連接構造一直處于線彈性狀態(tài)，這是由于樁板連接構造的強度和剛度均大于預制管樁，在框架結構的特性下，樁板連接構造和預制管樁樁底所承受的地震動作用下的彎矩相差不多。因此當管樁已經(jīng)進入屈服狀態(tài)時，樁板連接構造仍未出現(xiàn)損傷，甚至仍然保持彈性狀態(tài)，無法保護預制管樁。當?shù)卣饎訌姸冗M一步增加時，預制管樁底部將率先發(fā)生破壞。

4 結論

本文以G40滬陜高速公路合肥至大顧店段改擴建工程中的樁板式結構為研究對象，基于OpenSees 軟件平臺，建立了樁板式結構的精細化非線性實體有限元模型，研究了遠場地震動作用下結構的地震響應規(guī)律，主要結論如下：

遠場地震動作用下樁板式結構響應規(guī)律與框架結構基本一致，彎矩沿樁身呈反對稱分布，最大彎矩出現(xiàn)在樁板連結位置以及預制管樁樁底，反彎點在沿樁身高度1/2處；

在地震作用下，當樁板連結構造的承載能力大于預制管樁時，預制管樁樁底將先發(fā)生破壞，因此在實際工程中需要對樁板連接構造進行優(yōu)化設計從而保護預制管樁。