新建項目中樁板式無土結構的性能研究

王 倩， 汪志甜， 朱 俊， 李劍鸞

(1.安徽省交通規(guī)劃設計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)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著交通運輸業(yè)的高速發(fā)展,生態(tài)環(huán)保節(jié)能的要求提高,高速公路改擴建日益增多,樁板式無土結構在改擴建應用上具有天然優(yōu)勢[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,環(huán)境影響大,新路基不能穩(wěn)定沉降導致新老路基銜接處易出現(xiàn)裂縫和錯臺現(xiàn)象等。因此樁板式無土結構在改擴建項目中應用較多,對于新建高速公路,樁板式無土結構同樣可以解決類似諸多問題。樁板式無土結構取消了放坡寬度,解決了征地困難、填土量大的問題,預制板梁、管樁可在工廠完成,現(xiàn)場組裝,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用較少,其受力性能尚待研究。

1 項目概述

項目全長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、節(jié)約征地、環(huán)保等要求以及缺土、取土困難等難題。采用樁板式無土結構可以有效解決該項目相關要求及難題。

該項目樁板式結構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連接,結構布置如圖1所示。橋面板采用縱向分塊預制,相鄰預制板之間采用濕接縫連接,濕接縫寬度0.3 m。標準板跨中板厚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 樁板式無土結構布置圖

下部結構采用先張法預應力混凝土高強管樁,長度根據(jù)樁頂反力和地層條件計算確定,樁身配筋滿足《預應力混凝土管樁技術標準》(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,通過預制板預留孔洞后澆C50無收縮混凝土與預制板形成固結。

2 結構計算分析

2.1 分析計算模型

本文利用MIDAS有限元軟件對結構進行建模分析。橋面板采用板單元模擬,單元劃分長度約500 mm,樁采用梁單元模擬,單元劃分長度1～2 m。計算假定樁板連接接頭40 cm長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)點彈性支撐建立縱橫向土彈簧,彈簧的剛度采用“M”法[3]計算得到。

預制混凝土板采用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風化巖內,樁端邊界按固結設置;聯(lián)端處,板梁與樁頂通過縱向、橫向可滑動的支座連接;其他支座處板與管樁頂部的連接剛度按計算出的剛度值模擬。

2.2 荷載工況

結構計算考慮自重、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)《公路橋涵設計通用規(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 外側輪載對稱在肋板兩側;② 外側輪載在肋板正上方;③ 輪載對稱在橫向跨中;④ 一輪載在橫向跨中正上方;汽車制動力每車道取165 kN。

2.3 板受力計算

2.3.1 承載能力極限狀態(tài)計算

考慮各項荷載的基本組合作用,板承載能力計算結果見表1,結構縱向受力不利位置主要在肋板上,計算結果均滿足規(guī)范和設計要求。

表1 各板塊受力承載能力驗算

2.3.2 正常使用狀態(tài)計算

考慮各項荷載的頻遇值組合,驗算結構的抗裂性,結果見表2,通過合適的配筋,計算裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

表2 各板塊內力與裂縫寬度驗算

2.5 管樁受力計算

2.5.1 承載能力極限狀態(tài)計算

樁頂受彎矩與軸力共同作用,屬于偏壓構件,經(jīng)計算,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。對于PRC-I 500AB100,抗彎承載力設計值為332 kN·m,樁身豎向承載力設計值為3 800 kN,采用二分法迭代計算,荷載效應小于樁身承載能力。

管樁水平剪力主要由水平制動力及溫度力提供,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)《預應力混凝土管樁》國標圖集和文獻[5]計算得到管樁的剪力承載力達98 kN,滿足規(guī)范要求。

2.5.2 正常使用極限狀態(tài)計算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362-2018)[6]要求,經(jīng)計算,在頻遇組合作用下樁頂最大拉應力7.71 MPa,管樁有效預壓應力7.79 MPa,故管樁在頻遇組合作用下不出現(xiàn)拉應力,其正常使用極限狀態(tài)驗算滿足規(guī)范要求。標準組合作用下管樁混凝土最大壓應力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。按偏心受壓構件計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)驗算

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

3 結束語

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

(2) 樁板接頭按固結考慮接近實際情況,驗算結果滿足規(guī)范和設計要求。

(3) 目前,樁板式梁橋已經(jīng)在實際工程中得到應用,填補了全國高速公路樁板式梁橋結構設計和實踐的空白,但其長期性能有待進一步觀察。