基于精细化有限元模型的拼宽装配化桩板式无土结构纵向变形计算分析

基于精细化有限元模型的拼宽装配化桩板式无土结构纵向变形计算分析

汪志甜1,2 ,杨大海1,2

1. 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥，230088； 2. 公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥，230088

[摘  要] 以某拼宽装配化桩板式无土结构为背景，考虑老路基影响，对其伸缩变形进行三维实体有限元分析，采用接触单元精确模拟混凝土垫层对桩板结构的约束，研究结果表明：桥面板与混凝土垫层未发现有滑移现象，标准组合下，整体降温引起的最不利纵向位移为5.7mm；受混凝土垫层摩擦和护栏立柱约束，梁板纵向变形状态呈扇形，即外侧位移大于内侧位移；采用的G60型无缝式伸缩缝，能够满足结构伸缩变形需求；通过应力计算分析，建议桩板式无土结构在新老路基衔接处适当加强配筋。

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[关键词]  桩板式无土结构；三维实体有限元接触单元；伸缩变形

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  前言

目前，按我国早期公路建设标准修建的许多高速公路均表现出通行能力差、服务水平低等现象，无法适应社会经济发展要求，高速公路改扩建迫在眉睫[1-3]。然而，传统改扩建工程存在征地困难、填土量大、施工速度慢、社会影响大等问题。为有效解决上述难题，同时响应绿色发展，践行绿色公路理念，提出“桩板式无土结构”这一新型桩板结构，该是由工厂化预制的桥面、管桩组成的框架结构体系，相对于传统的路基方案，装配化桩板路基刚度大，工后沉降小，可用于代替3～8m填土路基。当前，研究表明，该种装配式桩板式无土结构受力安全，能满足正常使用极限状态要求 [4]。然而，在计算桩板结构纵向变形时，由于拼宽桩板式无土结构与老路基搭接处模拟较为复杂，如何精确计算结构的纵向变形有待研究。

1 拼宽装配化桩板式结构原型设计

（1）总体设计

合安高速公路扩建工程拼宽装配化桩板式结构应用里程为2.02km，设计范围内K1070+703～K1072+722既有路基宽度为26～26.6m,拼宽后路基总宽度为49m。上部结构采用预制钢筋混凝土板，标准跨径6m，7孔一联，标准联长42m，联端设G60型无缝伸缩缝，缝宽4cm，伸缩量为0~60mm。

图1 联长布置立面图

（2）上部结构

预制板横断面为纵向两条，钢筋混凝土预制桥面板采用C40混凝土，板总宽8.75m，现浇与路基搭接宽度为1.45m，板厚0.24m，预制板设两道纵肋（通常），肋高0.44m,肋底宽0.7m,左侧倒角尺寸为0.2x0.2m，右侧倒角尺寸为0.2x0.2,肋中心距为6m,左侧肋板中心距预制板边距离为2m。桥面板现浇部分搭接在26cm厚的C20混凝土垫层之上，将原有路基护栏立柱打入土中并与板形成固结。

图2中支点标准横断面图                        图3现场施工照片

（3）下部结构

下部采用先张法预应力混凝土高强管桩，采用PRC-Ⅰ500C型管桩+PHC500AB型管桩的配桩形式，上部为PRC桩，长10m；下部为PHC桩，长度根据桩顶反力与地层条件进行计算确定。

（4）桩板连接设计

桩顶焊接U型钢筋，并在桩顶与板之间焊接垫片底钢板，放置改性聚合物圆环垫片；通过梁板预留孔后浇灌浆料与预制板实现半固结。

图4 桩顶与板连接构造

（5）板与路基横向连接设计

现浇混凝土及垫块下设20cm厚C20透水混凝土垫层，透水混凝土以下再设10cm厚C20素混凝土不透水垫层，不透水垫层顶面应设置乳化沥青防水层（膜厚不小于1mm）。透水混凝土要求透水性不小于1mm/s，以形成良好的横向路面层间水排水通道。现浇板横向与水泥稳定碎石间设1cm伸缩缝，用高弹聚氨酯灌缝。高弹聚氨酯灌缝内侧铺设2cm厚三维排水土工网。

图5 横向连接处构造

2 拼宽装配化桩板式结构有限元分析

2.1有限元模型

选取一联42m结构，利用MIDAS  FEA建立三维空间有限元模型进行分析，如图6所示。

图6桩板式无土结构有限元模型

单元类型：梁体与地面以上桩体采用实体单元；护栏立柱与地面以下桩体采用梁单元；为准确模拟路基垫层对板的约束作用，板与路基接触部分采用接触单元分析，定义接触面摩擦系数为0.4；桩土接触部分、护栏立柱与土接触部分采用弹簧单元模拟路基对梁以及土对桩体和立柱的作用[7]。弹簧的刚度依据“M”法计算得到土的水平作用效应，其中土的水平抗力系数的比例系数取用10MN/m4 。

边界条件：桩与护栏底部施加竖向约束，联端支座位置仅施加竖向支撑。

桩板连接模拟：交叉钢筋采用程序中钢筋单元模拟，并按实际情况模后浇混凝土，如图7所示。

图7数值分析中的桩板连接

2.2荷载工况

计算中主要考虑了自重、二期恒载、均匀温度作用、汽车制动力以及混凝土收缩。其中，均匀温度作用按整体升、降温20℃考虑；汽车制动力根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）每车道为165kN；混凝土收缩作用等效为降温15℃考虑。

2.3分析结果

2.3.1 纵向变形

工况一：考虑自重、二期恒载、汽车制动力、整体降温以及混凝土收缩作用，在标准组合作用下，结构变形如图8所示。

图8标准组合下工况一结构变形（mm）

考虑自重、二期恒载、汽车制动力、整体升温以及混凝土收缩作用，在标准组合作用下，结构变形如图9所示。

图9标准组合下工况二结构变形（mm）

分析结果表明：工况一作用下结构最大纵向变形值为5.7mm，桩板结构与老路基纵向衔接处纵向变形值约为0.5mm；工况二作用下结构最大纵向变形为1.4mm，桩板结构与老路基纵向衔接处纵向变形值约为0.2mm；两种工况下考虑两联桩板路基共同伸缩设置的伸缩缝均能满足要求；温度作用下，受混凝土垫层摩擦和护栏立柱约束，梁板纵向变形状态呈扇形，即外侧位移大于内侧位移。

2.3.2 纵向应力

为进一步探究桥面板在该变形规律下应力分布状态，对工况一下桥面板纵向应力进行分析，结果如图10、11所示。

图10 工况一标准组合下桥面板纵向应力（顶部）

图11 工况二标准组合下桥面板纵向应力（底部）

   对桥面板路基衔接处纵向应力和桩顶肋处纵向应力进行分析，结果如图12、13所示。

图12 标准组合下桥面板路基接缝处纵向应力

图13标准组合下桥面板路基接缝处纵向应力

分析结果表明：温度作用下，受混凝土垫层摩擦和护栏立柱约束，桥面板在与老路基纵向衔接处纵向应力较其他位置处大，该处应适当加强配筋。

3结论

总结：桥面板与混凝土垫层未发现有滑移现象，标准组合下，整体降温引起的最不利纵向位移为5.7mm；受混凝土垫层摩擦和护栏立柱约束，梁板纵向变形状态呈扇形，即外侧位移大于内侧位移；采用的G60型无缝式伸缩缝，能够满足结构伸缩变形需求；通过应力计算分析，建议桩板式无土结构在新老路基衔接处适当加强配筋。

参考文献：

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