一種用于樁板式路基的插入式十字型鋼接頭疲勞性能計算

朱 俊， 李劍鸞

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司；公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

1 工程背景

G0321德州至上饒高速公路合肥至樅陽路段項目全長134 km[1]。地理上分別經過江淮波狀平原區(肥西縣)、舒城沖積平原區、大別山區和沿江丘陵平原區(桐城市、樅陽縣)。其中舒城沖積平原,缺土明顯,只能遠距離運土;沿江丘陵平原,缺土明顯,局部孤丘、崗地可取土。

為解決本項目基本農田保護、節約征地和環保要求以及缺土、取土困難等問題[2],合樅高速采用了安徽省首創的基于工業化建造的公路新型樁板式結構來代替常規填土路基。本項目共布設樁板式路基12.986 km,為目前全國采用樁板式路基里程最長的一條新建高速公路。

新建高速公路樁板式無土路基以打入式預制管樁直接支撐鋼筋混凝土面板,預制板通過特有的連接裝置支撐在管樁樁頂形成一種簡潔透空的承載結構[3]。其柔性體系的結構受力特性決定了該結構要受到長期疲勞荷載的作用,樁板接頭易受損傷。因此在對樁板式路基進行設計計算時,要著重對樁板連接接頭進行抗疲勞性能的分析計算[4]。

2 樁板接頭構造

因樁板路基采用工業化建造,其板梁、管樁均為工廠預制構件,較難采用常規的現澆式接頭。因此,設計考慮了一種“十字形鋼插入式剛性連接”方式。具體方案為:管樁內插入“十”字形交叉鋼板,鋼板下部設托盤封閉填芯混凝土。管樁內現澆無收縮填芯混凝土將十字形鋼板與管樁固結。十字形交叉鋼板上部設置法蘭盤,連接螺栓貫穿螺栓孔,上端錨固于預制混凝土梁板頂部,下端錨固于法蘭盤上,螺栓孔內灌漿后實現預制樁、板快速連接。具體樁板連接構造如圖1所示。

圖1 十字形鋼插入式剛性連接構造圖

本接頭方案消除了傳統現澆混凝土連接結構臨時設施多、現場工作量大的弊端。鋼構件安裝、拆卸均較為方便,有利于日常使用養護與檢測。

3 疲勞計算分析模型

本次計算模型采用有限元軟件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和等厚部分。樁采用梁單元模擬。模型總如圖2所示。

圖2 模型總圖

樁板連接按所采用的型鋼截面形式按梁單元進行模擬,接頭模型如圖3所示。

圖3 十字鋼板接頭有限元模型

采用如上計算模型對各樁樁頂軸力、彎矩進行影響面分析,如圖4、圖5所示，結果發現:邊樁樁頂受力最為不利,故以邊樁的樁板連接單元為疲勞關注點[1]。

圖4 邊樁頂軸力影響面

圖5 邊樁頂縱向彎矩影響面

4 樁板接頭疲勞分析計算

4.1 疲勞荷載模型

新修訂的《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)規定了3種疲勞荷載計算模型[5],分別為:

(1) 疲勞荷載模型Ⅰ:采用等效的車道荷載,與其他疲勞荷載計算模型相比,該模型比較保守。

(2) 疲勞荷載模型Ⅱ:采用雙車模型。

(3) 疲勞荷載模型Ⅲ:采用單車模型,其車重最重,輪數較少,適用于直接承受車輪荷載的橋面系構件的疲勞計算。

考慮到樁板結構橋面板的跨徑只有6m,直接承受車輪荷載的局部效應明顯,故適宜采用疲勞荷載計算模型Ⅲ作為疲勞加載車輛。

4.2 沖擊系數的計算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)第5.5.3條規定[6],疲勞荷載應乘以額外的放大系數,放大系數φ應按下式取值:

Δφ={0.3(1-D6)(D≤6)

0(D>6)

式中:D為驗算截面到伸縮縫的距離,m。

由于樁板式路基邊樁的疲勞驗算接頭位置距離伸縮縫的距離為6 m,由上式可見,放大系數應為0。

4.3 損傷等效系數γ

損傷等效系數γ=γ1·γ2·γ3·γ4,且γ≤γmax。

由于疲勞車輛在不同橫向位置軌跡上行駛(根據鋼結構規范,左右輪跡線可能左偏或者右偏最大0.2 m)時,鋼接頭的應力循環特征不會存在明顯不同。因此,疲勞分析中,不考慮車輛輪載橫向分布的影響。

根據以上,考慮到缺乏交通量預測數據,保守起見,取損傷等效系數γ=γmax=1.8。

4.4 移動荷載步分析

采用前述的疲勞荷載模型Ⅲ對樁板結構的橋面板進行移動荷載步分析,獲得十字形鋼插入式樁板接頭的內力歷程,如圖6、圖7所示。

圖6 樁板接頭順橋向彎矩效應的內力歷程

圖7 樁板接頭軸力效應的內力歷程

圖6、圖7中,橫坐標為疲勞荷載模型Ⅲ的前軸距離伸縮縫的距離,縱坐標分別為彎矩和軸力效應。

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015),本項目所采用的十字形鋼插入式樁板接頭疲勞關注點為圖8中的① 和②。

圖8 樁板接頭疲勞關注點

然后,根據彎矩效應和軸力效應的內力歷程,通過材料力學公式的反算,可以得到每一步荷載步下的疲勞關注點應力歷程,如圖9、圖10所示。

圖9 樁板接頭細節① 位置應力歷程

圖10 樁板接頭細節② 位置應力歷程

圖9、圖10中,橫坐標為疲勞荷載模型Ⅲ的前軸與伸縮縫的距離,縱坐標為疲勞關注點的應力。

4.5 規范驗算

樁板接頭為鋼構件,可按《公路鋼結構橋梁設計規范》進行疲勞評估。根據上述規范，按200萬次疲勞循環換算得到的十字形鋼插入式樁板接頭細節① 的等效常值應力幅為:Δσ=(1+Δφ)γ(σpmax-σpmin)=1.0×1.8×(5.23+24.5)=53.5MPa；細節② 的等效常值應力幅為:Δσ=(1+Δφ)γ(σpmax-σpmin)=1.0×1.8×(2.64+21.27)=43.0 MPa。

根據公路鋼結構橋梁設計規范,疲勞細節的S-N曲線如圖11所示:

圖11 疲勞細節S-N曲線

對于細節①，可認為其對應ΔσC=160 MPa細節,γFfΔσE2=53.5 MPa≤ksΔσCγMf=1601.35=118.5 MPa,滿足疲勞要求!

對于細節②,其對應ΔσC=125 MPa細節,γFfΔσE2=43 MPa≤ksΔσCγMf=1251.35=92.6 MPa,滿足疲勞要求!

5 結 論

新建高速公路樁板式無土路基其柔性體系的結構受力特性決定了該結構要受到長期疲勞荷載的作用。考慮到樁板結構橋面板的跨徑只有6 m,直接承受車輪荷載的局部效應明顯,故適宜采用通規規定的疲勞荷載計算模型Ⅲ作為疲勞加載車輛。

通過采用MIDAS Civil軟件建立樁板結構的疲勞分析模型,選取受力最不利的邊樁的樁板連接單元為疲勞關注點,對一種用于樁板式路基的插入式十字形鋼接頭進行接頭疲勞應力驗算之后發現:

疲勞分析中接頭應力幅值最大的鋼結構焊點的計算應力幅未超過容許應力幅,不會出現疲勞破壞。接頭處十字形鋼板不會出現受拉開裂或受壓破壞的情況,同樣滿足疲勞要求。

綜上所述,設計所采用的十字形鋼插入式剛性樁板連接方案消除了傳統現澆混凝土連接結構臨時設施多、現場工作量大的弊端。鋼構件安裝、拆卸均較為方便,有利于日常使用養護與檢測。同時其疲勞性能有充分的保證,可以作為優選的樁板連接實施方案。