樁板式無土路基上部結(jié)構(gòu)計算與設(shè)計

郭 科

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著工程設(shè)計和建設(shè)水平的不斷提升，公路橋涵逐漸朝著更高水平的標準化、工廠化、機械化方向發(fā)展。在高速公路改擴建工程中，為減少路基拼寬的工后沉降、取消邊坡放坡，節(jié)省征地面積，樁板式無土路基應(yīng)運而生。樁板式無土路基結(jié)構(gòu)體系為預(yù)制板與管樁固結(jié)形成的框架體系，預(yù)制板梁、管樁可工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝，施工速度快，同時可避免既有橋涵結(jié)構(gòu)物接長，邊溝等附屬設(shè)施可繼續(xù)利用，能有效地充分利用既有結(jié)構(gòu)，工程經(jīng)濟效益顯著。樁板式無土路基上部結(jié)構(gòu)為雙向受力體系，恒荷載占荷載比重較低，活載占荷載比重較高，溫度梯度、沉降對結(jié)構(gòu)受力影響較大，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，是計算和設(shè)計的難點，見圖1。

1 結(jié)構(gòu)計算

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

從考慮標準化、工廠化的角度出發(fā)，上部結(jié)構(gòu)采用整體式預(yù)制板，為進一步降低結(jié)構(gòu)自重，采用矮肋式變截面結(jié)構(gòu)，整體式正交板橋的板厚通常取跨徑(縱橋向跨徑為6m)的1/20～1/15，結(jié)合擴建部分路基寬度，最終確定樁板式無土路基上部結(jié)構(gòu)尺寸，見圖2。

橫斷面分為預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分，標準橫斷面預(yù)制段長11.8m，現(xiàn)澆部分0.95m；截面板厚：橫向跨中30cm，翼端18cm，肋板處厚50cm，沿順橋向等厚布置。預(yù)制板共有A、B、C、C’4種，C、C’與B板型式一致，其中A、B板預(yù)制板長2700mm，C、C’板預(yù)制板長為2020mm。兩塊預(yù)制板之間通過現(xiàn)澆接縫連接(接縫寬度300mm)，1聯(lián)兩端設(shè)置伸縮縫，見圖3、圖4。

1.2 計算模型

橋梁整體計算采用通用軟件Midas Civil進行。預(yù)制板采用空間板單元，樁柱采用梁單元；護欄及橋面鋪裝通過添加線型荷載方式模擬；橋臺、梁體與路基接觸部分僅考慮豎向約束，梁體與橋墩接觸部分按鉸接考慮，僅對DX/DY/DZ三個方向約束, 樁徑采用 500mm，樁土接觸部分為節(jié)點彈性支撐，給出SDX/SDY方向剛度，土的地基系數(shù)的比例系數(shù)按10000kN/m4取值。

計算按橋梁施工流程劃分的順序，對施工階段及運營階段均進行內(nèi)力、應(yīng)力、結(jié)構(gòu)剛度的計算，由于采用板單元計算，有限元模型無法考慮鋼筋的作用。根據(jù)橋梁的實際施工過程和施工方案劃分施工階段，進行荷載組合，求得結(jié)構(gòu)在施工階段和運營階段時的內(nèi)力，按相關(guān)規(guī)范中所規(guī)定的各項容許指標，驗算預(yù)制板在極限承載力、正常使用性能等方面是否滿足要求。全橋模型按3～6m一聯(lián)建立，板單元共劃分2400個單元，計算模型見圖5。

1.3 計算參數(shù)

(1)結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土容重為26kN/m3。

(2)橋面鋪裝：混凝土鋪裝8cm厚(考慮4cm參與預(yù)制板受力)，瀝青混凝土鋪裝8cm厚，容重為24kN/m3。

(3)二期恒載：橋面鋪裝及兩側(cè)護欄4.34kN/m2。

(4)溫度荷載：整體升溫25℃，整體降溫-35 ℃；頂?shù)装鍦夭睿赫郎夭?10℃，反溫差-5℃。Midas 板單元計算收縮徐變較困難(需要根據(jù)具有不同理論厚度的板單元定義多個材料)，在計算過程中，按降溫10℃來近似考慮收縮徐變效應(yīng)。

(5)支座不均勻沉降：各支座均按5mm取值，與路基銜接處按5mm考慮沉降。

(6)汽車荷載：按車道面加載，考慮三車道作用。

(7)安全等級：一級。

1.4 移動荷載工況

為找出移動荷載橫向最不利位置，考慮3種移動荷載工況，通過試算，基本滿足實際移動荷載橫向移動情況，這3種工況分別為：

(1)工況1：距板懸臂外側(cè)1m橫向布置3車道。

(2)工況2：橫向在兩個橋墩中間對稱布置2車道。

(3)工況3：橫向在兩個橋墩中間對稱布置2車道，在靠路基側(cè)懸臂上方布置1車道。

EOT和單位面積電容值(COX)與高k柵介質(zhì)材料的k值(εHK)的關(guān)系如式(1)和式(2)所示。其中,εSiO2代表SiO2的相對介電常數(shù),ε0代表真空介電常數(shù),THK代表高k柵介質(zhì)層的實際物理厚度。

本文僅給出工況1圖示，見圖6。

對3種移動荷載工況不同部位(計算部位見圖7)縱橫向正截面彎矩進行比較，比較結(jié)果見表1。

表1 正截面移動荷載彎矩計算結(jié)果匯總(截面單位寬度最大值)

根據(jù)計算結(jié)果移動荷載工況1正截面彎矩最大，即移動荷載偏載最不利，因此計算結(jié)果取移動荷載取工況1進行荷載組合。

2 內(nèi)力計算結(jié)果及配筋設(shè)計

2.1 內(nèi)力計算結(jié)果

以結(jié)構(gòu)跨中、支點斷面為控制斷面，在圖6所示計算部位，給出單位板寬相應(yīng)的效應(yīng)值和承載能力值。預(yù)制板縱橫向彎矩圖見圖8、圖9，正截面抗彎承載能力計算結(jié)果見表2，表2中承載能力富裕80%以上部位是裂縫控制設(shè)計。

2.2 配筋計算與設(shè)計

2.2.1配筋計算

配筋計算采用不同板厚度下空間板單元模型內(nèi)力計算的最不利荷載組合值，取節(jié)點平均值，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行強度及裂縫寬度驗算，按Ⅱ類環(huán)境考慮，最大裂縫寬度按0.2mm控制。梁板配筋采用條分法配筋，根據(jù)不同部位的應(yīng)力狀況配筋。預(yù)制板縱橫向正常使用極限狀態(tài)下正截面彎矩及配筋結(jié)果見表3。

表2 正截面抗彎承載能力計算結(jié)果(kN·m)

表3 正截面彎矩及配筋計算結(jié)果

注：表3中每米大于10根采用束筋，鋼筋均采用HRB400

(1)鋼筋“設(shè)計標準化”：預(yù)制梁板節(jié)段采用模塊化配筋，預(yù)制梁板節(jié)段設(shè)置的節(jié)段受力鋼筋骨架、端部連接鋼筋骨架各自獨立，主要在中、邊板縱向主鋼筋直徑上進行變化，鋼筋縱、橫向標準間距均為100mm。

(2)不同預(yù)制構(gòu)件上的兩排U型鋼筋對向重疊交叉形成O型鋼筋結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)多個支墊鋼筋，灌注承壓混凝土后形成錨具式連接。鋼筋連接的傳統(tǒng)模式和傳力機理被改變，濕接縫寬度減小，接縫構(gòu)造簡化，現(xiàn)場連接簡捷，材料使用減少。

(3)以本文計算結(jié)果，橫橋向?qū)?1.8m，縱橋向3～6m為1聯(lián)的樁板式無土路基上部結(jié)構(gòu)體積配筋率為207.4kg/m3。

3 結(jié)論與討論

樁板式無土路基作為高速公路建設(shè)中的一種新型標準化技術(shù)實踐，響應(yīng)了交通運輸部關(guān)于實施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見。通過采用有限元分析軟件Midas Civil對樁板式無土路基上部結(jié)構(gòu)進行建模分析，并通過軟件求得的板單元彎矩進行配筋設(shè)計，為今后新型標準化技術(shù)在高速公路項目中開展深化應(yīng)用提供了有益的結(jié)構(gòu)計算依據(jù)，得出的主要結(jié)論如下：

(1)預(yù)制板建議采用矮肋式變截面，從圖8及表2中可以看出梁板矮肋有效地承擔(dān)了縱向彎矩，橫橋向可以取較小板厚，有效減少上部結(jié)構(gòu)自重，減小吊裝重量，節(jié)約工程造價。

(2)對于北方嚴寒地區(qū)，建議預(yù)制板上方增加混凝土鋪裝，以降低在凍融、除冰鹽環(huán)境下瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞對預(yù)制板的影響，結(jié)構(gòu)計算時可考慮橋面鋪裝參與受力，雖二期荷載增加，但結(jié)構(gòu)尺寸及配筋增加不明顯。

(3)結(jié)構(gòu)計算時，通過比對不同約束條件下的內(nèi)力結(jié)果，發(fā)現(xiàn)梁體與橋墩接觸部分按鉸接考慮比按剛性連接考慮更接近實際受力狀態(tài)。

(4)考慮到預(yù)制板板厚較薄，結(jié)構(gòu)配筋不宜采用大直徑鋼筋，建議采用直徑25mm及以下鋼筋。

(5)給出了樁板式無土路基上部結(jié)構(gòu)體積配筋率，為該種結(jié)構(gòu)與填土路基進行方案比較提供了工程造價方面的計算依據(jù)。