樁板式路基結構動力性能研究

毛攀，楊洋

（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 引言

本項目依托工程為合肥繞城高速公路隴西至路口段應急工程樁板式路基試驗段，線路中心里程為 K505+209．705～K594+532．741 中的新建樁板式路基工程。

樁板結構路基是一種新型路基結構，相比于土質路基有工后沉降小、整體剛度大的優點。樁板結構是處理深厚軟土、松軟土和深厚濕陷性黃土的有效方法。這種結構形式適應性很強，對不同地段可以靈活應用。

樁板式路基的上部結構采用預制鋼筋混凝土板，標準跨徑6m，7 孔一聯，標準聯長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墊片、改性聚合物彈性墊片及粘結膠調整。預制板采用C40 混凝土，設兩道縱肋。板分為預制及現澆兩部分，預制部分寬度11．8m，現澆部分0．95m，預制板預留縱向鋼筋，與現澆部分連接成整體。板厚0．24m，肋高0．44m，肋底寬0．7m，左側倒角尺寸為0．2m×0．2m，右側倒角尺寸為0．2m×0．2m，肋中心距為6m，左側肋板中心距預制板邊距離為2m。現澆部分高0．41m，采用C40 混凝土。

1 樁板式路基結構的自振特性研究

為計算樁板式路基的自振特性，并確保計算結果的可靠性，使用MIDAS CIVIL 建立了新建樁板式路基結構的梁格法模型，計算得到了樁板式路基結構的1～4 階的自振振型，如圖1 所示。同時，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 抗震計算基本信息

計算結果表明，新建樁板式路基結構的自振基頻為7．657r/s，根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）中規定的沖擊系數計算方法，計算得到新建樁板式路基結構的車輛荷載的沖擊系數約為1．34。同時，通過對結構前4 階振型參與質量的比較，發現結構的主要振型參與質量出現在豎向的平動、順橋向的轉動與橫橋向的轉動三個方向上。其中，豎向平動的最大振型參與質量為19．24%，出現在第2階自振中；順橋向轉動的最大振型參與質量為59．48%，出現在第1 階自振中；橫橋向轉動的最大振型參與質量為21．78%，出現在第4 階自振中。

2 樁板式路基結構的沖擊效應研究

2.1 沖擊系數測試位置

動荷載采用一輛載重車，以不同車速在路面行駛以及停止，以測量不同動荷載情況下主跨結構控制斷面的動態增量。選擇受力較為不利的典型樁柱以及邊跨跨中布置動應變測點。

圖2 板底部縱向測點布置圖

圖3 板底部橫向測點布置圖

圖4 板底部及樁柱測點布置示意圖

2.2 車輛動載選擇與加載

動荷載試驗采用1輛35t載重車，進行以下兩種不同的動載試驗項目。

①跑車試驗

一輛35t 重車分別以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h 的車速 駛過路面，記錄測點的動應變時程信號。

②剎車試驗

一輛35t 重車分別以20km/h、30km/h、40km/h 車速駛到邊跨跨中截面附近時，突然剎車，記錄所有測點的動應變時程信號。

車輛在路面行駛的位置如圖5 所示。

圖5 車輛行駛位置

2.3 結構沖擊系數分析

樁板式路基結構的邊跨荷載響應較為明顯，以下選用邊跨跨中的縱、橫向應變進行分析。

①跑車試驗

一輛35t 重車分別以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h 的車速 駛過路面，通過整聯后減速停下，記錄測點的動應變時程信號。

②剎車試驗

一輛35t 重車分別以20km/h、30km/h、40km/h 車速駛到邊跨跨中位置時突然急剎車，記錄測點的動應變時程信號。

①動載試驗中邊跨縱向應變響應要大于橫向應變的響應，說明結構橫向剛度大于縱向剛度；

②跑車試驗中縱橫向應變的曲線起伏方向相反，說明兩個方向的應變互相影響，有一定程度的泊松比效應；

③剎車試驗中應變時程曲線有一小段平臺，說明在剎車后應變不能立即回復到原有水平，其主要原因是產生了明顯的水平荷載，在車輛停下之后，結構應力即會恢復。當車速較快時，此現象不明顯主要是因為車輛作用距離較遠；

④跳車試驗中結構應變響應有一個明顯的主峰，應變的變化較快，曲線較為陡峭，說明跳車荷載的沖擊效應明顯。在日常運營中應注意路面平整度。

2.4 沖擊系數分析結果匯總

規范定義，在橋梁的最不利加載位置布置車輛荷載，在移動車輛荷載作用下的動態增長率，稱為沖擊系數。在一輛或橫向一排移動車輛荷載作用下的動態增長率稱為動態增量。對于不同的測量項目，可以定義不同的動態增量。如應變動態增量可表示為：

通過動載試驗可以求得結構應變測點的應變時程，對其進行計算，可以求得結構動載下的沖擊系數。

表2 匯總了動載試驗中所有試驗工況下結構測點的沖擊系數，從中可以看出：

表2 測點動載沖擊系數

①動載試驗最大沖擊系數為1．205，計算時采用的沖擊系數為1．20，說明結構動力性能整體良好。

②結構在邊跨的沖擊效應偏大，可以通過調整板厚及設置橫梁等措施增加其剛度，改善樁板式路基結構的動力性能，使其滿足要求。

3 結語

本文主要針對樁板式路基結構的動力特性進行了分析與研究。首先通過數值計算與分析，探討了樁板式路基結構的自振特性。同時，依托實際工程，開展了樁板式路基的動力特性現場測試，并根據試驗結果對樁板式路基面板與樁柱的沖擊系數進行了分析。

圖6 邊跨跨中動應變時程

圖7 邊跨跨中動應變時程

圖8 沖擊系數計算

探討了樁板式路基結構的自振特性。本項目利用MIDAS CIVIL 建立了新建樁板式路基的梁格法模型，并進行了樁板式路基結構的自振特性分析。結果表明，新建樁板式路基結構的自振基頻為7．657r/s。同時，對樁板式路基結構前5階振型的參與質量進行了比較。

進行了樁板式路基動力特性的測試與沖擊系數的分析。依托實際工程，通過跑車試驗、剎車試驗動載試驗測試了樁板式路基結構的沖擊系數，并對沖擊系數的結果進行了分析。結果表明，動載試驗中結構的最大沖擊系數為1．206；結構在邊跨的沖擊效應偏大，可采用措施提高邊跨的剛度，改善樁板式路基結構的動力性能。