樁板式路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能研究

毛攀，楊洋

（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 引言

本項(xiàng)目依托工程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 K505+209．705～K594+532．741 中的新建樁板式路基工程。

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。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。

樁板式路基的上部結(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。橋面橫坡由樁頂高彈改性聚合物矩形墊塊、高模量改性聚合物圓環(huán)墊片、改性聚合物彈性墊片及粘結(jié)膠調(diào)整。預(yù)制板采用C40 混凝土，設(shè)兩道縱肋。板分為預(yù)制及現(xiàn)澆兩部分，預(yù)制部分寬度11．8m，現(xiàn)澆部分0．95m，預(yù)制板預(yù)留縱向鋼筋，與現(xiàn)澆部分連接成整體。板厚0．24m，肋高0．44m，肋底寬0．7m，左側(cè)倒角尺寸為0．2m×0．2m，右側(cè)倒角尺寸為0．2m×0．2m，肋中心距為6m，左側(cè)肋板中心距預(yù)制板邊距離為2m。現(xiàn)澆部分高0．41m，采用C40 混凝土。

1 樁板式路基結(jié)構(gòu)的自振特性研究

為計(jì)算樁板式路基的自振特性，并確保計(jì)算結(jié)果的可靠性，使用MIDAS CIVIL 建立了新建樁板式路基結(jié)構(gòu)的梁格法模型，計(jì)算得到了樁板式路基結(jié)構(gòu)的1～4 階的自振振型，如圖1 所示。同時(shí)，得到了1～4 階自振的頻率與周期，如表1所示。

圖1 樁板式路基1～4階自振振型

表1 抗震計(jì)算基本信息

計(jì)算結(jié)果表明，新建樁板式路基結(jié)構(gòu)的自振基頻為7．657r/s，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中規(guī)定的沖擊系數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算得到新建樁板式路基結(jié)構(gòu)的車(chē)輛荷載的沖擊系數(shù)約為1．34。同時(shí)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)前4 階振型參與質(zhì)量的比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的主要振型參與質(zhì)量出現(xiàn)在豎向的平動(dòng)、順橋向的轉(zhuǎn)動(dòng)與橫橋向的轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)方向上。其中，豎向平動(dòng)的最大振型參與質(zhì)量為19．24%，出現(xiàn)在第2階自振中；順橋向轉(zhuǎn)動(dòng)的最大振型參與質(zhì)量為59．48%，出現(xiàn)在第1 階自振中；橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)的最大振型參與質(zhì)量為21．78%，出現(xiàn)在第4 階自振中。

2 樁板式路基結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)研究

2.1 沖擊系數(shù)測(cè)試位置

動(dòng)荷載采用一輛載重車(chē)，以不同車(chē)速在路面行駛以及停止，以測(cè)量不同動(dòng)荷載情況下主跨結(jié)構(gòu)控制斷面的動(dòng)態(tài)增量。選擇受力較為不利的典型樁柱以及邊跨跨中布置動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖2 板底部縱向測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 板底部橫向測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 板底部及樁柱測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2 車(chē)輛動(dòng)載選擇與加載

動(dòng)荷載試驗(yàn)采用1輛35t載重車(chē)，進(jìn)行以下兩種不同的動(dòng)載試驗(yàn)項(xiàng)目。

①跑車(chē)試驗(yàn)

一輛35t 重車(chē)分別以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h 的車(chē)速 駛過(guò)路面，記錄測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程信號(hào)。

②剎車(chē)試驗(yàn)

一輛35t 重車(chē)分別以20km/h、30km/h、40km/h 車(chē)速駛到邊跨跨中截面附近時(shí)，突然剎車(chē)，記錄所有測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程信號(hào)。

車(chē)輛在路面行駛的位置如圖5 所示。

圖5 車(chē)輛行駛位置

2.3 結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)分析

樁板式路基結(jié)構(gòu)的邊跨荷載響應(yīng)較為明顯，以下選用邊跨跨中的縱、橫向應(yīng)變進(jìn)行分析。

①跑車(chē)試驗(yàn)

一輛35t 重車(chē)分別以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h 的車(chē)速 駛過(guò)路面，通過(guò)整聯(lián)后減速停下，記錄測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程信號(hào)。

②剎車(chē)試驗(yàn)

一輛35t 重車(chē)分別以20km/h、30km/h、40km/h 車(chē)速駛到邊跨跨中位置時(shí)突然急剎車(chē)，記錄測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程信號(hào)。

①動(dòng)載試驗(yàn)中邊跨縱向應(yīng)變響應(yīng)要大于橫向應(yīng)變的響應(yīng)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)橫向剛度大于縱向剛度；

②跑車(chē)試驗(yàn)中縱橫向應(yīng)變的曲線起伏方向相反，說(shuō)明兩個(gè)方向的應(yīng)變互相影響，有一定程度的泊松比效應(yīng)；

③剎車(chē)試驗(yàn)中應(yīng)變時(shí)程曲線有一小段平臺(tái)，說(shuō)明在剎車(chē)后應(yīng)變不能立即回復(fù)到原有水平，其主要原因是產(chǎn)生了明顯的水平荷載，在車(chē)輛停下之后，結(jié)構(gòu)應(yīng)力即會(huì)恢復(fù)。當(dāng)車(chē)速較快時(shí)，此現(xiàn)象不明顯主要是因?yàn)檐?chē)輛作用距離較遠(yuǎn)；

④跳車(chē)試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)有一個(gè)明顯的主峰，應(yīng)變的變化較快，曲線較為陡峭，說(shuō)明跳車(chē)荷載的沖擊效應(yīng)明顯。在日常運(yùn)營(yíng)中應(yīng)注意路面平整度。

2.4 沖擊系數(shù)分析結(jié)果匯總

規(guī)范定義，在橋梁的最不利加載位置布置車(chē)輛荷載，在移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)率，稱為沖擊系數(shù)。在一輛或橫向一排移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)率稱為動(dòng)態(tài)增量。對(duì)于不同的測(cè)量項(xiàng)目，可以定義不同的動(dòng)態(tài)增量。如應(yīng)變動(dòng)態(tài)增量可表示為：

通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)可以求得結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，可以求得結(jié)構(gòu)動(dòng)載下的沖擊系數(shù)。

表2 匯總了動(dòng)載試驗(yàn)中所有試驗(yàn)工況下結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的沖擊系數(shù)，從中可以看出：

表2 測(cè)點(diǎn)動(dòng)載沖擊系數(shù)

①動(dòng)載試驗(yàn)最大沖擊系數(shù)為1．205，計(jì)算時(shí)采用的沖擊系數(shù)為1．20，說(shuō)明結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能整體良好。

②結(jié)構(gòu)在邊跨的沖擊效應(yīng)偏大，可以通過(guò)調(diào)整板厚及設(shè)置橫梁等措施增加其剛度，改善樁板式路基結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，使其滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)樁板式路基結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析與研究。首先通過(guò)數(shù)值計(jì)算與分析，探討了樁板式路基結(jié)構(gòu)的自振特性。同時(shí)，依托實(shí)際工程，開(kāi)展了樁板式路基的動(dòng)力特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)樁板式路基面板與樁柱的沖擊系數(shù)進(jìn)行了分析。

圖6 邊跨跨中動(dòng)應(yīng)變時(shí)程

圖7 邊跨跨中動(dòng)應(yīng)變時(shí)程

圖8 沖擊系數(shù)計(jì)算

探討了樁板式路基結(jié)構(gòu)的自振特性。本項(xiàng)目利用MIDAS CIVIL 建立了新建樁板式路基的梁格法模型，并進(jìn)行了樁板式路基結(jié)構(gòu)的自振特性分析。結(jié)果表明，新建樁板式路基結(jié)構(gòu)的自振基頻為7．657r/s。同時(shí)，對(duì)樁板式路基結(jié)構(gòu)前5階振型的參與質(zhì)量進(jìn)行了比較。

進(jìn)行了樁板式路基動(dòng)力特性的測(cè)試與沖擊系數(shù)的分析。依托實(shí)際工程，通過(guò)跑車(chē)試驗(yàn)、剎車(chē)試驗(yàn)動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試了樁板式路基結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，并對(duì)沖擊系數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，動(dòng)載試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)的最大沖擊系數(shù)為1．206；結(jié)構(gòu)在邊跨的沖擊效應(yīng)偏大，可采用措施提高邊跨的剛度，改善樁板式路基結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。