新型樁板式結構設計與受力分析

張鈺伯

（邯鄲市交通運輸局公路勘察設計院，河北 邯鄲 056001）

1 工程概況

本項目位于華北平原區，采用傳統路基方案需要占地較多，考慮到本項目取土較為困難，結合初步設計批復意見，在合適區域進行新型樁板式結構試驗段建設。樁板式結構無須填土，整個結構可減少對耕地的占用。

結合樁板式結構適用條件 （填土高度及地質條件），本次試驗段位于TJ-02標大橋終點處， 樁板式結構起終點樁號：K14+788.000～K15+058.000。試驗段內填土高度6～8.7 m，地質為粉土、黏土及砂土，適合本結構的應用。同時本段落選定時，周圍無居民房屋，便于打樁施工。樁板式結構試驗段縱斷面如圖1所示。

2 樁板式結構設計

圖1 樁板式結構試驗段縱斷面/m

2.1 主要材料

鋼筋混凝土預制板采用C40混凝土，現澆部分采用C50無收縮混凝土，管樁混凝土采用C80高強混凝土。無收縮混凝土水中養護14 d的最小限制膨脹率≥3.0×10-4，隨后放在恒溫恒濕室養護28 d的最大干縮率≤3.0×10-4。PHC管樁采用C80高性能混凝土。

鋼筋采用HPB300、HRB400級鋼筋及冷軋帶肋焊接鋼筋網，其技術標準應分別符合《鋼筋混凝土用鋼 第一部分熱軋光圓鋼筋》 （GB 1499.1—2017）、《鋼筋混凝土用鋼 第二部分 熱軋帶肋鋼筋》 （GB 1499.2—2018）、《鋼筋混凝土用焊接鋼筋網》 （GB 1499.3—2010） 的規定。

本項目主要工程材料指標如表1所示。

表1 主要材料指標一覽表

2.2 結構總體設計

本項目樁板式結構采用無梁板式結構，懸臂板寬2.265 m，橫向橋墩間距4.2 m，總預制板寬12.75 m。管樁與梁板采用固結連接。標準跨徑6 m，等跨徑布置，15孔一聯，聯長90 m。樁板式結構標準聯立面如圖2所示。

圖2 樁板式結構標準聯立面/mm

橋面板采用縱向分塊預制，中跨由兩塊樁頂A板和一塊跨中B板組成；邊跨由一塊樁頂A板、一塊跨中B板和一塊邊跨樁頂C板組成。每兩塊相鄰預制板之間由濕接縫進行連接，濕接縫寬度0.3 m。A板、B板、橫向跨中板厚30 cm，懸臂端厚20 cm，加腋根部50 cm厚，沿順橋向等厚度布置。橫橋向板寬均為12.75 m。位于聯端 （伸縮縫端） 的C板為提高剛度和強度，跨中板厚與加腋根部同厚，為50 cm；懸臂端板厚20 cm；縱向加厚范圍為聯端1 m范圍。聯端設置4 cm伸縮縫。

下部采用PRC-Ⅰ600B110管樁形式，適用于打入法施工管樁采用C80型混凝土，600型樁壁厚0.11 m，樁頂1.9 m范圍內填芯混凝土。聯端樁與小蓋梁通過預埋鋼板與管樁端板焊接，梁板放置于小蓋梁上，蓋梁與橋面板之間設置滑板式橡膠支座。樁板式結構標準橫斷面如圖3所示。

圖3 樁板式結構標準橫斷面/cm

2.3 樁板連接構造設計

樁頂與板連接如圖4所示，樁頂外套一外徑為630 mm壁厚10 mm的圓形鋼管，鋼管焊接在管樁端板上，鋼管上部采用橡膠條密封。同時放置填芯鋼筋籠，最后在板頂預留孔中灌注C50無收縮混凝土與預制板實現固結，形成整體連接接頭。為提高連接接頭的耐久性， 需對連接套管進行防腐設計。

圖4 管樁與預制板連接接頭設計

2.4 主要施工方案

PHC管樁采用錘擊法打入施工。首節樁在一般情況下入土30～50 cm為宜，然后進行調校。調校垂直度在允許值以內才能沉樁。沉樁過程中施工員隨時觀察樁的進尺變化，如遇地質層有障礙物、樁桿偏移時，應分行程逐漸調直。管樁頂節2 m范圍采用刻度進行標記，施工中記錄錘擊數50、100的打入高度，作為單樁理論承載力計算依據。成樁后，及時對樁頂平面坐標以及樁頂標高進行復核，必要時采取相應措施進行調整，確保滿足設計要求[1]。

預制橋面板采用分段吊裝的施工方法，在墩柱中間增設臨時抱箍并搭設工字鋼支撐，抱箍采用鋼板螺栓連接，抱箍緊抱在預制管樁上利用管樁支撐受力，保證了整個結構的穩定性，確保了架設施工的質量和安全。

3 樁板結構靜力有限元分析

3.1 結構計算假定

本次計算模型采用MIDAS CIVIL進行數值分析。其中橋面板采用板單元模擬，劃分約為500 mm×500 mm一個單元，有限元模型中以不同板厚來模擬樁頂加腋部分；樁采用梁單元模擬。結構有限元離散如圖5所示。為了模擬土質對樁的作用，分析中利用節點彈性支撐建立橫向和縱向的土彈簧。彈簧的剛度依據“M”法計算得到土的水平作用效應。其中土的水平抗力系數的比例系數取用10 MN/m4。

圖5 樁板結構有限元離散圖

3.2 結構縱向計算結果

基本組合下 （車道荷載偏載作用下），單位寬度內樁頂板順橋向最大負彎矩發生在此邊支點處邊肋加厚段位置，為-515.7（kN·m)/m，對應最大軸力為-308.6 kN/m；順橋向最大正彎矩發生在邊跨跨中邊肋加厚段位置，為625.2 （kN·m)/m，對應最大軸力為1 185.3 kN/m。基本組合下，單位寬度內肋板之間橫向跨中順橋向全部承受正彎矩，且最大彎矩發生在邊跨跨中處，為179.0（kN·m)/m，對應最大軸力為-104.6 kN/m。荷載基本組合作用下單位寬度板內力圖如圖6所示。

圖6 荷載基本組合作用下單位寬度板內力圖

表2表示肋板與橫向跨中位置各板單位寬度1.0 m內縱向配筋情況。

表2 各板塊縱向鋼筋配筋情況

經驗算，肋板頂部縱向最大裂縫寬度為0.04 mm，肋板跨中位置處縱向最大裂縫寬度為0.108 mm，滿足規范鋼筋混凝土構件的要求。結構抗彎承載能力滿足規范要求。

3.3 結構橫向計算結果

基本組合下 （車道荷載偏載作用下），單位寬度內樁頂板橫橋向最大負彎矩發生在聯端位置邊肋處，為-755.5 kN·m，對應軸力為-949.9 kN；橫橋向最大正彎矩發生在聯端橫向跨中位置，最大為143.9 kN·m，對應軸力為-89.0 kN。

表3表示聯端、邊跨跨中和次邊支點位置各板單位寬度1.0 m內橫向配筋情況。荷載基本組合作用下單位寬度板內力圖如圖7所示。

表3 各板塊橫向鋼筋配筋情況

圖7 荷載基本組合作用下單位寬度板內力圖

經驗算，聯端頂部橫向最大裂縫寬度為0.138 mm，肋板橫向跨中位置處最大裂縫寬度為0.125 mm，滿足規范鋼筋混凝土構件的要求。結構抗彎承載能力滿足規范要求。

3.4 管樁承載能力極限狀態計算

基本組合下，樁基順橋向樁頂所受最大彎矩為150.9 kN·m，橫橋向樁頂所受最大彎矩為143.1 kN·m，樁頂最大軸力為1 454.4 kN。

根據混合配筋預應力混凝土管樁PRC-Ⅰ600B110管樁管樁樁身豎向承載力設計值Rp=3 900 kN，抗裂彎矩Mcr=266 kN·m；彎矩設計值M=471 kN·m；可知，滿足要求。

圖8 荷載基本組合下管樁順橋向彎矩（單位：kN·m）

正常使用極限狀態下，PRC-Ⅰ600B110管樁有效預壓應力為8.54 MPa，由計算得管樁樁頂最大拉應力為5.5 MPa，可知管樁在頻遇組合作用下不出現拉應力，所以該結構中，管樁的正常使用極限狀態驗算通過。

4 結語

本文以270 m新型樁板結構試驗段為工程背景，介紹了適用于公路工程的新型樁板式結構總體設計方案及細部構造設計，并對其進行了有限元數值分析，主要結論如下：

（1） 新型樁板式結構是一種結構形式簡單、經濟性優越的結構形式，其在公路工程中的應用，可解決傳統公路占地較多、需要大量填土的缺點，符合綠色公路的發展理念。

（2） 本項目的有限元分析結果表明，采用30 cm厚的預制板及PRC-Ⅰ600B110管樁可滿足結構的使用要求；

（3） 為了進一步推廣本結構，需要進一步對結構的疲勞特性及抗震性能進行研究。