郭 科

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

隨著工程設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、機(jī)械化方向發(fā)展。在高速公路改擴(kuò)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(wú)土路基應(yīng)運(yùn)而生。樁板式無(wú)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(chǎng)安裝，施工速度快，同時(shí)可避免既有橋涵結(jié)構(gòu)物接長(zhǎng)，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(jì)效益顯著。樁板式無(wú)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(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，是計(jì)算和設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

從考慮標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(kuò)建部分路基寬度，最終確定樁板式無(wú)土路基上部結(jié)構(gòu)尺寸，見(jiàn)圖2。

橫斷面分為預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面預(yù)制段長(zhǎng)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(zhǎng)2700mm，C、C’板預(yù)制板長(zhǎng)為2020mm。兩塊預(yù)制板之間通過(guò)現(xiàn)澆接縫連接(接縫寬度300mm)，1聯(lián)兩端設(shè)置伸縮縫，見(jiàn)圖3、圖4。

1.2 計(jì)算模型

橋梁整體計(jì)算采用通用軟件Midas Civil進(jìn)行。預(yù)制板采用空間板單元，樁柱采用梁?jiǎn)卧?；護(hù)欄及橋面鋪裝通過(guò)添加線型荷載方式模擬；橋臺(tái)、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(duì)DX/DY/DZ三個(gè)方向約束, 樁徑采用 500mm，樁土接觸部分為節(jié)點(diǎn)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(jì)算按橋梁施工流程劃分的順序，對(duì)施工階段及運(yùn)營(yíng)階段均進(jìn)行內(nèi)力、應(yīng)力、結(jié)構(gòu)剛度的計(jì)算，由于采用板單元計(jì)算，有限元模型無(wú)法考慮鋼筋的作用。根據(jù)橋梁的實(shí)際施工過(guò)程和施工方案劃分施工階段，進(jìn)行荷載組合，求得結(jié)構(gòu)在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段時(shí)的內(nèi)力，按相關(guān)規(guī)范中所規(guī)定的各項(xiàng)容許指標(biāo)，驗(yàn)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(gè)單元，計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

1.3 計(jì)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(hù)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(jì)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(gè)材料)，在計(jì)算過(guò)程中，按降溫10℃來(lái)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(jí)：一級(jí)。

1.4 移動(dòng)荷載工況

為找出移動(dòng)荷載橫向最不利位置，考慮3種移動(dòng)荷載工況，通過(guò)試算，基本滿足實(shí)際移動(dòng)荷載橫向移動(dòng)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(gè)橋墩中間對(duì)稱布置2車道。

(3)工況3：橫向在兩個(gè)橋墩中間對(duì)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(duì)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(shí)際物理厚度。

本文僅給出工況1圖示，見(jiàn)圖6。

對(duì)3種移動(dòng)荷載工況不同部位(計(jì)算部位見(jiàn)圖7)縱橫向正截面彎矩進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正截面移動(dòng)荷載彎矩計(jì)算結(jié)果匯總(截面單位寬度最大值)

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

2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果及配筋設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

以結(jié)構(gòu)跨中、支點(diǎn)斷面為控制斷面，在圖6所示計(jì)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(jiàn)圖8、圖9，正截面抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，表2中承載能力富裕80%以上部位是裂縫控制設(shè)計(jì)。

2.2 配筋計(jì)算與設(shè)計(jì)

2.2.1配筋計(jì)算

配筋計(jì)算采用不同板厚度下空間板單元模型內(nèi)力計(jì)算的最不利荷載組合值，取節(jié)點(diǎn)平均值，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度及裂縫寬度驗(yàn)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(jiàn)表3。

表2 正截面抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果(kN·m)

表3 正截面彎矩及配筋計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立，主要在中、邊板縱向主鋼筋直徑上進(jìn)行變化，鋼筋縱、橫向標(biāo)準(zhǔn)間距均為100mm。

(2)不同預(yù)制構(gòu)件上的兩排U型鋼筋對(duì)向重疊交叉形成O型鋼筋結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)多個(gè)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(jī)理被改變，濕接縫寬度減小，接縫構(gòu)造簡(jiǎn)化，現(xiàn)場(chǎng)連接簡(jiǎn)捷，材料使用減少。

(3)以本文計(jì)算結(jié)果，橫橋向?qū)?1.8m，縱橋向3～6m為1聯(lián)的樁板式無(wú)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(wú)土路基作為高速公路建設(shè)中的一種新型標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)實(shí)踐，響應(yīng)了交通運(yùn)輸部關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)。通過(guò)采用有限元分析軟件Midas Civil對(duì)樁板式無(wú)土路基上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，并通過(guò)軟件求得的板單元彎矩進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，為今后新型標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)在高速公路項(xiàng)目中開展深化應(yīng)用提供了有益的結(jié)構(gòu)計(jì)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(jià)。

(2)對(duì)于北方嚴(yán)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(duì)預(yù)制板的影響，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)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(jì)算時(shí)，通過(guò)比對(duì)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(shí)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(wú)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(jìn)行方案比較提供了工程造價(jià)方面的計(jì)算依據(jù)。