一種樁板式結構受力性能分析

王錦濤

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

樁板式結構是近年來新興的一種路基結構，具有結構剛度大，工后沉降小等優點，可以很好地替換傳統的填土路基拼寬。由于該結構取消了傳統路基的放坡寬度，因此較大節省了征地面積；同時結構物中的板梁、管樁等可在工廠預制，現場組裝，因此大大提高了施工速度；而且該結構可以繼續利用原有的涵洞、水溝等附屬設施，既能加快施工進度又可以節約工程造價。同時，該結構可以改變公路路基路面的傳統結構形式和傳統建造方式，取消了混凝土結構上傳統設置的伸縮縫，預制梁板高架于按一定間距布置的支撐管樁上，結構具有完全消除自身縱向伸縮變形的能力，理論上可以無限無縫延長。目前國內對于樁板式結構的分析研究也進行了大量理論研究[1-3]。因此，本文通過采用有限元軟件分析，同時與實際工程結合，研究樁板式結構的力學性能，以期對橋梁結構設計和應用起到一定的借鑒作用。

1 有限元模型

本文依托合巢蕪高速公路改擴建工程，該結構標準橫斷面，如圖1所示。橋面寬度為8.77 m，橫向布置兩排樁。結構標準跨徑設置為6 m，等跨徑布置，采用15孔一聯，聯長90 m。橋面板采用縱向分塊預制，每兩塊相鄰預制板之間由濕接縫進行連接，濕接縫寬度為0.3 m。中部各樁板連接位置均采用固結方式，聯端設滑板式活動支座。

本文在進行分析計算時利用ANSYS有限元軟件，其中單元類型方面橋面板用SOLID65單元模擬；管樁用BEAM188單元模擬，考慮鋼板、鋼筋與混凝土之間的剛度等效；實體模型與梁單元模型之間用MPC184單元進行多尺度連接處理[4]；土彈簧采用COMBIN14單元進行模擬。整體結構ANSYS有限元模型如圖2所示。

圖1 結構標準橫斷面

圖2 ANSYS有限元模型

在荷載組合工況方面本文采用基本組合情況下考慮車道荷載，同時依據規范[5]采用均布荷載加集中力的方式處理，而且考慮左偏右偏中間三種情況進行加載，以得到最不利狀態下的彎矩(軸力)。同時考慮縱向布載按照影響線加載方式，經分析采取第一跨跨中影響線以及第三排樁支點影響線兩種布載方式。

2 結果分析

為了充分考慮加載工況的影響，本文的分析方式有12種之多，因此為節省篇幅僅展示部分位移云圖和應力云圖，其余最終整合匯總用以分析。

經計算可得基本組合作用下工況1(車道荷載右偏，按第一跨跨中影響線加載，升溫工況)，順橋向最大位移發生在混凝土板，最大位移9.72 mm，全橋位移云圖如圖3所示。第一跨跨中處左肋豎向應力云圖如圖4所示，同時按照1 m寬度進行積分計算可得該處彎矩和軸力，積分結果見表1。

圖3 全橋位移云圖

圖4 第一跨跨中處左肋豎向應力云圖

表1 工況1最不利位置處彎矩與軸力

由于積分時取用的上下緣拉壓應力是以最大值，或以小于計算寬度范圍的分布應力值為準進行計算的，所以計算得到的結構內力在驗算過程中是偏保守的。

最終整合基本組合車道荷載12種加載方式計算所得結果，提取每種加載工況的順橋向最大位移，可知最大位移發生在工況1，最大位移為9.72 mm。同時統計12種工況的最大彎矩以及最大軸力列于表2。

表2 各工況下各位置處的最大彎矩與軸力

由表2可知：

按照車道荷載加載，橋面板第一跨跨中處縱向最大彎矩不大于320 kN·m，軸力不大于-696 kN；橋面板第三跨支點處縱向最大彎矩不大于-222 kN·m，軸力不大于839 kN。

按照車道荷載加載，橋面板第一跨跨中處橫向最大彎矩不大于-119 kN·m，軸力不大于301 kN；橋面板第三跨支點處橫向最大彎矩不大于-125 kN·m，軸力不大于300 kN。

3 結 論

通過分析上述計算結果，可以得出以下結論：

(1)經分析工況1加載情況下板頂部縱向位移最大，為9.72 mm。由于該項目樁體覆土深度大，結構整體剛度大，故最不利工況的最大位移較其他項目偏小。

(2)由于計算得到的結構內力在驗算過程中是偏保守的，通過分析各位置處彎矩和軸力可知結構受力在容許范圍內，因此該樁板式結構設計安全可靠，應用前景廣闊。