公路樁板式無土路基結(jié)構(gòu)原型設(shè)計(jì)與受力性能分析

1、公路樁板式無土路基結(jié)構(gòu)原型設(shè)計(jì)與受力性能分析摘要：以合肥繞城高速公路隴西至路口段應(yīng)急工程樁板式路基試驗(yàn)段為研究對(duì) 象，探討了樁板式路基的結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算方法和計(jì)算模式，采用了 Ansys實(shí)體單 元模擬方法進(jìn)行模擬，研究本類結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件的力學(xué)性質(zhì)與受力特征。并對(duì)運(yùn) 營(yíng)過程中樁柱的受力性能進(jìn)行了分析，分析認(rèn)為在組合效應(yīng)作用下，設(shè)計(jì)樁柱是 能夠保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性的。通過本文的研究，可以為同類工程的設(shè)計(jì)提 供參考。關(guān)鍵詞：樁板式路基；結(jié)構(gòu)選型；承載能力；計(jì)算分析0引言隨著現(xiàn)在高速公路交通網(wǎng)的發(fā)展，許多原有的道路已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有的需求， 因此國(guó)內(nèi)許多道路面臨著需要進(jìn)行拓寬的情況。以往的公路拼寬中，

2、拼寬部分的 路基往往采用的是填筑路基的施工方法，而原有的路基已沉降穩(wěn)定，而拼寬填方 路基由于填筑施工時(shí)間有限，不能保證其穩(wěn)定沉降，極易產(chǎn)生裂縫和新老路基銜 接錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象1。樁板結(jié)構(gòu)路基是一種新型路基結(jié)構(gòu)，相比于土質(zhì)路基有工后沉 降小，整體剛度大的優(yōu)點(diǎn)。樁板結(jié)構(gòu)是處理深厚軟土、松軟土和深厚濕陷性黃土 的有效方法3。這種結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)性很強(qiáng)，對(duì)不同地段可以靈活應(yīng)用。本課題研 究的樁板式路基結(jié)構(gòu)，利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)用于高速道路的改擴(kuò)建工程建設(shè)中，且具 有可工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，施工便利的特點(diǎn)4。所以在工業(yè)化建造的大背景下， 利用樁板式路基結(jié)構(gòu)能夠有效解決高速公路的改擴(kuò)建問題。1工程概況合肥繞城高速公路隴西至

3、路口段應(yīng)急工程，是G40滬陜高速和G3京臺(tái)高速 的共線段，項(xiàng)目起點(diǎn)為隴西樞紐互通，順接合巢蕪高速公路，終點(diǎn)為路口樞紐互 通，順接合徐高速公路，全線按8車道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)建?？偫锍碳s9.44公里，設(shè)計(jì) 速度120Km/h。本項(xiàng)目為合肥繞城高速公路隴西至路口段應(yīng)急工程樁板式路基試 驗(yàn)段，線路中心里程為K7+066.009K7+435.266左右幅加寬部分。本結(jié)構(gòu)的上部 結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土板，標(biāo)準(zhǔn)跨徑6m，7孔一聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)長(zhǎng)42m，聯(lián)端設(shè)無 縫伸縮縫，縫寬2cm。橋梁設(shè)計(jì)范圍內(nèi)(K7+065.356K7+309.277)既有路基寬 度為2626.6m，拼寬后路基總寬度為49m，兩側(cè)各設(shè)置0.5m波形

4、防撞護(hù)欄。2公路樁板式無土路基結(jié)構(gòu)原型設(shè)計(jì)樁板式路基結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)選型樁板式路基結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土板，聯(lián)端設(shè)無縫伸縮縫?；?凝土板分為預(yù)制及現(xiàn)澆兩部分，預(yù)制板預(yù)留橫向鋼筋，與現(xiàn)澆部分連接成整體， 兩側(cè)各設(shè)置波形防撞護(hù)欄。圖1預(yù)制鋼筋混凝土板預(yù)制鋼筋混凝土板采用C40混凝土，板的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)厚度為0.24m，預(yù)制板在 縱向設(shè)置了兩道通長(zhǎng)的縱肋，肋高為0.44m，肋底寬0.7m，倒角尺寸為 0.2mx0.2m。下部結(jié)構(gòu)為預(yù)制高摩擦表面管樁，左右幅加寬樁板路基結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)樁為 HPC500AB型管樁+PRC- 1 500C型管樁，長(zhǎng)度根據(jù)設(shè)計(jì)高度和底面高程確定。內(nèi)樁 外徑均為500mm，壁厚10

5、0mm，樁頂1.4m范圍內(nèi)壁設(shè)置剪切鋼筋，采用C50微 膨脹混凝土。樁與板的連接方式采用在樁頂設(shè)置高彈改性聚合物矩形墊塊(過渡樁)、高模量改性聚合物圓環(huán)墊片（一般樁）、改性聚合物彈性墊片（圓環(huán)內(nèi)現(xiàn)澆1cm高 聚合物）及粘結(jié)膠（用于粘貼圓、環(huán)墊片與樁基端板）的方法進(jìn)行連接。具體的 連接方式見圖2所示。圖2樁板連接構(gòu)造圖結(jié)構(gòu)總體特性分析（1）鋼筋混凝土板受力模式特殊：上部結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土板的縱向和橫向跨徑 尺寸相近，在受力行為上屬于雙向受力。在縱向加肋部分由于肋骨較厚，該處的 受力行為可近似地視為縱向單向受力?？缰形恢昧Φ膫鬟f方向?yàn)樗南騻鬟f，在端 部位置，荷載作用到混凝土板上后由三向傳遞，理論上來說

6、端部位置的受力更為 不利。（2）樁柱一體化設(shè)計(jì)：樁柱一體化設(shè)計(jì)為本結(jié)構(gòu)的一大構(gòu)造特點(diǎn)，樁柱全部 采用預(yù)制管樁，使得施工更加的便利，也便于進(jìn)一步開展工業(yè)化批量生產(chǎn)。由于 管樁采用工廠預(yù)制，其施工質(zhì)量容易保證，結(jié)構(gòu)承載能力也較為明確。對(duì)樁柱產(chǎn) 生彎壓作用的主要因素包括：結(jié)構(gòu)自重荷載，車輛荷載，溫度效應(yīng)，沉降效應(yīng)以 及車輛制動(dòng)力。其中，車輛效應(yīng)和車輛制動(dòng)力對(duì)樁柱的彎矩影響最大。（3）樁板新型連接構(gòu)造：下部樁柱與上部混凝土板的連接構(gòu)造比較特殊，采 用了高彈性模量的聚合物作為墊層，柔化了連接構(gòu)造部位的剛度，使得本應(yīng)定性 為剛性的連接變成了一種半柔性的連接方式。該類連接方式能夠有效地減小溫度 效應(yīng)，沉降效

7、應(yīng)等對(duì)樁柱受力的影響，減小次應(yīng)力效應(yīng)對(duì)樁柱產(chǎn)生的彎矩。圖3樁板連接構(gòu)造（高彈模聚合物墊層）（4）結(jié)構(gòu)邊界條件復(fù)雜：對(duì)于道路改擴(kuò)建類的構(gòu)造，與老路銜接處的構(gòu)造是 最為復(fù)雜的，在計(jì)算模擬時(shí)，邊界條件的擬定也是難點(diǎn)之一5。樁板式路基結(jié)構(gòu) 在老路一側(cè)將混凝土板搭接在老路上，并通過一段現(xiàn)澆段與老路相連。老路對(duì)混 凝土板的豎向支撐并不是常見的剛性支撐，而是需要考慮地基效應(yīng)的彈性支撐。圖4樁板式路基結(jié)構(gòu)老路一側(cè)搭接構(gòu)造3計(jì)算方法分析3.1樁柱的計(jì)算模式分析通過全局整體建模分析結(jié)構(gòu)的受力來進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。利用Ansys有限元軟 件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土板，采用solid45單元進(jìn)行模擬。 為

8、了簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)兼顧計(jì)算精度，不考慮普通鋼筋和接縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。利用 beam188單元模擬連接鋼筋，利用共節(jié)點(diǎn)原則將鋼筋與混凝土進(jìn)行耦合。圖5樁板式路基有限元模型3.2樁板的計(jì)算模式分析主要的驗(yàn)算方法有兩種，一是截面承載能力驗(yàn)算，二是裂縫寬度計(jì)算。（1）承載能力驗(yàn)算彎矩承載能力驗(yàn)算需要計(jì)算得到計(jì)算彎矩值和設(shè)計(jì)抗力值。其中，計(jì)算彎矩 值是通過Ansys數(shù)值模擬得到的板件上下緣應(yīng)力值反推得到的。上下緣應(yīng)力值參 照Ansys的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下：圖6 ansys的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖如圖所示，該部分板上緣最大壓應(yīng)力為9.5Mpa，下緣最大拉應(yīng)力為9.0Mpa計(jì)算寬度1.0m的部分板的結(jié)構(gòu)內(nèi)力：小于計(jì)算寬度

9、范圍的分布應(yīng)力值為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的，所以計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力 在驗(yàn)算過程中是偏保守的。（2）裂縫寬度驗(yàn)算裂縫寬度的計(jì)算方法按照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 D62-2004）中的計(jì)算方法計(jì)算。4計(jì)算結(jié)果與分析4.1運(yùn)營(yíng)過程中樁柱受力性能分析根據(jù)樁柱在荷載單項(xiàng)效應(yīng)下的計(jì)算分析可知，考慮降溫作用下樁的彎矩與軸 力更為不利，所以樁的正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中采用計(jì)算工況是考慮升溫作用下 的短期效應(yīng)荷載組合，各荷載的作用按照規(guī)范公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60-2015）進(jìn)行組合：1.0自重+1.0總體升溫+0.8梯度升溫+1.0制動(dòng)力+0.7汽車 荷載。由數(shù)值分析計(jì)算得到在短期效應(yīng)組合

10、作用下，各樁的樁頂彎矩如下。圖7短期效應(yīng)組合作用下樁頂內(nèi)力圖根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，在短期效應(yīng)組合作用下，樁身最大彎矩為25.36kNm， 樁身最大軸力為522.2kN，小于抗裂彎矩170kNm，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。從彎矩的 冗余度來看，在正常運(yùn)營(yíng)過程中，結(jié)構(gòu)樁柱的安全系數(shù)比較高。4.2板的承載能力驗(yàn)算結(jié)果通過對(duì)板的承載能力性能進(jìn)行分析與驗(yàn)算，可以找到本類結(jié)構(gòu)的最不利受力 位置。為今后的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，便于該類結(jié)構(gòu)在今后的推廣及應(yīng)用。承載能 力驗(yàn)算是基于公預(yù)規(guī)的相關(guān)規(guī)定，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的極限承載能力，保障結(jié)構(gòu)的可靠性 與安全性。基本組合下彎矩101kNm，軸力是222kN。結(jié)構(gòu)理論抗力134kNm，和

11、222kN。 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.33，滿足設(shè)計(jì)要求。4.3板的抗裂驗(yàn)算結(jié)果板的抗裂性能分析是通過檢驗(yàn)在正常運(yùn)營(yíng)情況下，考慮車輛荷載，溫度效應(yīng) 等組合荷載作用下，結(jié)構(gòu)在短期組合，長(zhǎng)期組合效應(yīng)下的應(yīng)力響應(yīng)，并通過規(guī)范 的檢驗(yàn)方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的理論裂縫寬度，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性，討論該上部 結(jié)構(gòu)能否滿足正常的使用要求。表1最不利位置驗(yàn)算結(jié)果短期組合下最不利位置上緣應(yīng)力7.28MPa，下緣應(yīng)力5.7MPa，長(zhǎng)期組合效應(yīng) 下上下緣應(yīng)力分別是-5.87MPa和-4.3MPa。計(jì)算的裂縫寬度為0.115mm。從以上 分析結(jié)果可知，上部混凝土板的抗裂性能基本能夠滿足使用要求。5結(jié)論本文依托背景工程，針對(duì)樁板式路基結(jié)構(gòu)的合理的計(jì)算分析方法進(jìn)行了討論， 并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，研究本類結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件的力學(xué)性質(zhì)與受力特征，分 析不利于本類結(jié)構(gòu)的荷載組合效應(yīng)，為今后本類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供理論基礎(chǔ)。 主要結(jié)論有：（1）由于樁板式路基的上部結(jié)構(gòu)有著雙向板的受力特性，故常規(guī)的梁式計(jì)算 方法不適于本類結(jié)構(gòu)。本文采用了 Ansys實(shí)體單元模擬的方法進(jìn)行模擬計(jì)算。（2）Ansys有限