桩板式无土路基上部结构计算与设计

郭 科

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

随着工程设计和建设水平的不断提升，公路桥涵逐渐朝着更高水平的标准化、工厂化、机械化方向发展。在高速公路改扩建工程中，为减少路基拼宽的工后沉降、取消边坡放坡，节省征地面积，桩板式无土路基应运而生。桩板式无土路基结构体系为预制板与管桩固结形成的框架体系，预制板梁、管桩可工厂生产，现场安装，施工速度快，同时可避免既有桥涵结构物接长，边沟等附属设施可继续利用，能有效地充分利用既有结构，工程经济效益显著。桩板式无土路基上部结构为双向受力体系，恒荷载占荷载比重较低，活载占荷载比重较高，温度梯度、沉降对结构受力影响较大，结构受力较为复杂，是计算和设计的难点，见图1。

1 结构计算

1.1 结构尺寸拟定

从考虑标准化、工厂化的角度出发，上部结构采用整体式预制板，为进一步降低结构自重，采用矮肋式变截面结构，整体式正交板桥的板厚通常取跨径(纵桥向跨径为6m)的1/20～1/15，结合扩建部分路基宽度，最终确定桩板式无土路基上部结构尺寸，见图2。

横断面分为预制和现浇两部分，标准横断面预制段长11.8m，现浇部分0.95m；截面板厚：横向跨中30cm，翼端18cm，肋板处厚50cm，沿顺桥向等厚布置。预制板共有A、B、C、C’4种，C、C’与B板型式一致，其中A、B板预制板长2700mm，C、C’板预制板长为2020mm。两块预制板之间通过现浇接缝连接(接缝宽度300mm)，1联两端设置伸缩缝，见图3、图4。

1.2 计算模型

桥梁整体计算采用通用软件Midas Civil进行。预制板采用空间板单元，桩柱采用梁单元；护栏及桥面铺装通过添加线型荷载方式模拟；桥台、梁体与路基接触部分仅考虑竖向约束，梁体与桥墩接触部分按铰接考虑，仅对DX/DY/DZ三个方向约束, 桩径采用 500mm，桩土接触部分为节点弹性支撑，给出SDX/SDY方向刚度，土的地基系数的比例系数按10000kN/m4取值。

计算按桥梁施工流程划分的顺序，对施工阶段及运营阶段均进行内力、应力、结构刚度的计算，由于采用板单元计算，有限元模型无法考虑钢筋的作用。根据桥梁的实际施工过程和施工方案划分施工阶段，进行荷载组合，求得结构在施工阶段和运营阶段时的内力，按相关规范中所规定的各项容许指标，验算预制板在极限承载力、正常使用性能等方面是否满足要求。全桥模型按3～6m一联建立，板单元共划分2400个单元，计算模型见图5。

1.3 计算参数

(1)结构自重：钢筋混凝土容重为26kN/m3。

(2)桥面铺装：混凝土铺装8cm厚(考虑4cm参与预制板受力)，沥青混凝土铺装8cm厚，容重为24kN/m3。

(3)二期恒载：桥面铺装及两侧护栏4.34kN/m2。

(4)温度荷载：整体升温25℃，整体降温-35 ℃；顶底板温差：正温差+10℃，反温差-5℃。Midas 板单元计算收缩徐变较困难(需要根据具有不同理论厚度的板单元定义多个材料)，在计算过程中，按降温10℃来近似考虑收缩徐变效应。

(5)支座不均匀沉降：各支座均按5mm取值，与路基衔接处按5mm考虑沉降。

(6)汽车荷载：按车道面加载，考虑三车道作用。

(7)安全等级：一级。

1.4 移动荷载工况

为找出移动荷载横向最不利位置，考虑3种移动荷载工况，通过试算，基本满足实际移动荷载横向移动情况，这3种工况分别为：

(1)工况1：距板悬臂外侧1m横向布置3车道。

(2)工况2：横向在两个桥墩中间对称布置2车道。

(3)工况3：横向在两个桥墩中间对称布置2车道，在靠路基侧悬臂上方布置1车道。

EOT和单位面积电容值(COX)与高k栅介质材料的k值(εHK)的关系如式(1)和式(2)所示。其中,εSiO2代表SiO2的相对介电常数,ε0代表真空介电常数,THK代表高k栅介质层的实际物理厚度。

本文仅给出工况1图示，见图6。

对3种移动荷载工况不同部位(计算部位见图7)纵横向正截面弯矩进行比较，比较结果见表1。

表1 正截面移动荷载弯矩计算结果汇总(截面单位宽度最大值)

根据计算结果移动荷载工况1正截面弯矩最大，即移动荷载偏载最不利，因此计算结果取移动荷载取工况1进行荷载组合。

2 内力计算结果及配筋设计

2.1 内力计算结果

以结构跨中、支点断面为控制断面，在图6所示计算部位，给出单位板宽相应的效应值和承载能力值。预制板纵横向弯矩图见图8、图9，正截面抗弯承载能力计算结果见表2，表2中承载能力富裕80%以上部位是裂缝控制设计。

2.2 配筋计算与设计

2.2.1配筋计算

配筋计算采用不同板厚度下空间板单元模型内力计算的最不利荷载组合值，取节点平均值，根据相关规范进行强度及裂缝宽度验算，按Ⅱ类环境考虑，最大裂缝宽度按0.2mm控制。梁板配筋采用条分法配筋，根据不同部位的应力状况配筋。预制板纵横向正常使用极限状态下正截面弯矩及配筋结果见表3。

表2 正截面抗弯承载能力计算结果(kN·m)

表3 正截面弯矩及配筋计算结果

注：表3中每米大于10根采用束筋，钢筋均采用HRB400

(1)钢筋“设计标准化”：预制梁板节段采用模块化配筋，预制梁板节段设置的节段受力钢筋骨架、端部连接钢筋骨架各自独立，主要在中、边板纵向主钢筋直径上进行变化，钢筋纵、横向标准间距均为100mm。

(2)不同预制构件上的两排U型钢筋对向重叠交叉形成O型钢筋结构，内设多个支垫钢筋，灌注承压混凝土后形成锚具式连接。钢筋连接的传统模式和传力机理被改变，湿接缝宽度减小，接缝构造简化，现场连接简捷，材料使用减少。

(3)以本文计算结果，横桥向宽11.8m，纵桥向3～6m为1联的桩板式无土路基上部结构体积配筋率为207.4kg/m3。

3 结论与讨论

桩板式无土路基作为高速公路建设中的一种新型标准化技术实践，响应了交通运输部关于实施绿色公路建设的指导意见。通过采用有限元分析软件Midas Civil对桩板式无土路基上部结构进行建模分析，并通过软件求得的板单元弯矩进行配筋设计，为今后新型标准化技术在高速公路项目中开展深化应用提供了有益的结构计算依据，得出的主要结论如下：

(1)预制板建议采用矮肋式变截面，从图8及表2中可以看出梁板矮肋有效地承担了纵向弯矩，横桥向可以取较小板厚，有效减少上部结构自重，减小吊装重量，节约工程造价。

(2)对于北方严寒地区，建议预制板上方增加混凝土铺装，以降低在冻融、除冰盐环境下沥青路面结构破坏对预制板的影响，结构计算时可考虑桥面铺装参与受力，虽二期荷载增加，但结构尺寸及配筋增加不明显。

(3)结构计算时，通过比对不同约束条件下的内力结果，发现梁体与桥墩接触部分按铰接考虑比按刚性连接考虑更接近实际受力状态。

(4)考虑到预制板板厚较薄，结构配筋不宜采用大直径钢筋，建议采用直径25mm及以下钢筋。

(5)给出了桩板式无土路基上部结构体积配筋率，为该种结构与填土路基进行方案比较提供了工程造价方面的计算依据。