樁板式路基結構抗震性能分析

方正東，竇巍，張浩

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088）

0 前言

G3W高速地處安徽省中部，沿途經過合肥市、六安市、安慶市及銅陵市，是我省高速公路網規劃中“縱三”高速的一段。G3W高速合肥到樅陽段樁板式路基總長19.5km，標準跨徑6m，等跨徑布置，15孔一聯，標準聯長90m。橋面板采用縱向分塊預制，管樁與梁板采用固結連接。

本文以k97+237.5段樁板路基為例，選取聯長132m、墩高8m的樁板路基（這種工況下結構上部質量最大、墩高最高為樁基最不利受力工況），作為抗震計算分析對象，采用管樁基本情況如表1。

管樁基本情況 表1

勘察場地位于抗震設防烈度為7度。本區內Ⅱ類場地設計地震峰值加速度0.10g，反應譜特征周期為0.35s。

1 計算模型和驗算內容

1.1 有限元模型建立

主梁采用免涂裝高性能耐候鋼，根據橋面寬度的不同，橫向截面就采用不同的免涂裝高結構地震動力反應分析采用空間結構的有限單元方法，計算模型以順橋向為x軸，橫橋向為y軸，豎向為z軸。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500mm×500mm一個單元，有限元模型中以不同板厚來模擬樁頂加腋部分（50cm厚）和等厚部分（26cm厚）；樁采用三維梁單元模擬下部結構，根據地質資料按“m法”計算樁基－土相互作用，節點彈性支承模擬土對樁基礎約束作用。圖1為Midas Civil動力有限元模型圖（1號墩為邊墩，2號墩1/4跨處墩，3號墩1/2跨處墩）。

圖1 動力有限元分析模型

1.2 荷載組合

根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008）3.4.2，地震作用效應組合應包括永久作用效應+地震作用效應，組合方式應包括各種效應的最不利組合，應當考慮縱向、橫向以及豎向三個方向地震作用效應。

1.3 驗算內容

根據樁板路基結構特點，應當驗算以下內容：①E1、E2地震作用下樁板連接接頭抗剪承載力及偏心受壓承載力驗算；②E1、E2地震作用下橋墩PRCI-500AB110管樁抗剪承載力及偏心受壓承載力驗算；③E1、E2地震作用下樁基PHC-500AB110管樁抗剪承載力及偏心受壓承載力驗算。

2 E2地震作用下反應分析結果

2.1 關鍵節點最大位移

在E2地震的輸入下，利用反應譜分析方法，可以得到結構各關鍵節點的位移響應，其結果見表3。

抗震計算基本信息 表2

E2地震關鍵點最大位移 表3

2.2 管樁控制截面最大地震內力

E2地震作用的輸入下，利用反應譜分析方法，可以得到各橋墩關鍵截面的地震響應，其結果分別見表4和表5。

E2地震作用下橋墩控制斷面內力值（縱向＋豎向輸入） 表4

E2地震作用下橋墩控制斷面內力值（橫向＋豎向輸入） 表5

A縱向+豎向地震見表4。

B橫向+豎向地震輸入見表5。

3 截面抗震驗算

3.1 驗算結果

針對采用反應譜方法計算所得的地震內力，并與恒載內力組合，進行了截面抗彎能力的驗算。由于E1地震作用下，樁板接頭以及管樁內力和位移均較小，結構顯然處于線彈性狀態，因此，僅列出E2地震作用下內力驗算結果。

3.1.1 E2地震作用下樁板連接接頭驗算

表6所示為E2縱橋向和橫橋向地震輸入下樁板連接接頭抗剪驗算結果。

樁板連接接頭抗剪驗算 表6

由表6可知，樁板連接接頭在E2縱橋向和橫橋向地震作用下抗剪驗算滿足要求，安全系數最小為5.5。

E2地震作用樁板連接接頭偏心受壓承載能力驗算結果，表7所示為E2縱橋向和橫橋向地震輸入下樁板連接接頭偏心驗算結果：

樁板連接接頭抗彎驗算（驗算軸力=恒載軸力-地震動軸力） 表7

計算過程中取結構最不利軸力組合，并且分別用Mander模型和雙折線模型定義混凝土和鋼材材料本構關系，求得彎矩-曲率（P-M-Φ）曲線以判斷結構是否進入屈服狀態。圖2為1#墩樁板接頭在縱向地震作用下初始屈服彎矩計算結果：

圖2 初始屈服彎矩計算結果

由表7可知，樁板連接接頭在E2縱橋向和橫橋向地震作用下受力始終處于彈性狀態，截面彎矩M＜Meq，安全系數最小為1.1，結構基本無損傷，接頭處未進入塑性狀態，結構未出現塑性鉸，無需進行塑性轉角變形驗算，滿足抗震計算要求。

3.1.2 E2地震作用下橋墩（PRC管樁）驗算

表8所示為E2縱橋向和橫橋向地震輸入下橋墩（PRC管樁）抗剪驗算結果。

橋墩（PRC管樁）抗剪驗算 表8

由表8可知，橋墩PRCI-500AB110管樁在E2縱橋向和橫橋向地震作用下抗剪驗算滿足要求，安全系數最小為6.1。

表9所示為E2縱橋向和橫橋向地震輸入下橋墩（PRC管樁）抗彎驗算結果。

橋墩（PRC管樁）抗彎驗算 表9

由表9可知，橋墩PRCI-500AB110管樁在E2縱橋向和橫橋向地震作用下受力始終處于彈性狀態，截面彎矩M＜Meq，安全系數最小為1.6，結構基本無損傷，橋墩未進入塑性狀態，結構未出現塑性鉸，無需進行塑性轉角變形驗算，滿足抗震計算要求。

4 地震反應分析結論

根據樁板路基的結構特點，建立了空間動力計算模型，應用反應譜分析方法，研究結構在E1、E2地震作用下的地震反應，并對E1、E2地震作用下的抗震性能進行了驗算，樁板連接接頭、橋墩PRC管樁、樁基PHC管樁的抗剪承載力和抗彎承載力均滿足抗震設計要求，結構均處于線彈性工作狀態，基本無損傷。

合樅高速公路所處地區設防烈度為7度，在地震作用下結構順橋向響應大于橫橋向響應，在結構目前尺寸及配筋情況下，抗震性能良好，滿足抗震規范相關要求。