張鈺伯

（邯鄲市交通運(yùn)輸局公路勘察設(shè)計(jì)院，河北 邯鄲 056001）

1 工程概況

本項(xiàng)目位于華北平原區(qū)，采用傳統(tǒng)路基方案需要占地較多，考慮到本項(xiàng)目取土較為困難，結(jié)合初步設(shè)計(jì)批復(fù)意見(jiàn)，在合適區(qū)域進(jìn)行新型樁板式結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段建設(shè)。樁板式結(jié)構(gòu)無(wú)須填土，整個(gè)結(jié)構(gòu)可減少對(duì)耕地的占用。

結(jié)合樁板式結(jié)構(gòu)適用條件 （填土高度及地質(zhì)條件），本次試驗(yàn)段位于TJ-02標(biāo)大橋終點(diǎn)處， 樁板式結(jié)構(gòu)起終點(diǎn)樁號(hào)：K14+788.000～K15+058.000。試驗(yàn)段內(nèi)填土高度6～8.7 m，地質(zhì)為粉土、黏土及砂土，適合本結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。同時(shí)本段落選定時(shí)，周?chē)鸁o(wú)居民房屋，便于打樁施工。樁板式結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段縱斷面如圖1所示。

2 樁板式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 樁板式結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段縱斷面/m

2.1 主要材料

鋼筋混凝土預(yù)制板采用C40混凝土，現(xiàn)澆部分采用C50無(wú)收縮混凝土，管樁混凝土采用C80高強(qiáng)混凝土。無(wú)收縮混凝土水中養(yǎng)護(hù)14 d的最小限制膨脹率≥3.0×10-4，隨后放在恒溫恒濕室養(yǎng)護(hù)28 d的最大干縮率≤3.0×10-4。PHC管樁采用C80高性能混凝土。

鋼筋采用HPB300、HRB400級(jí)鋼筋及冷軋帶肋焊接鋼筋網(wǎng)，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)分別符合《鋼筋混凝土用鋼 第一部分熱軋光圓鋼筋》 （GB 1499.1—2017）、《鋼筋混凝土用鋼 第二部分 熱軋帶肋鋼筋》 （GB 1499.2—2018）、《鋼筋混凝土用焊接鋼筋網(wǎng)》 （GB 1499.3—2010） 的規(guī)定。

本項(xiàng)目主要工程材料指標(biāo)如表1所示。

表1 主要材料指標(biāo)一覽表

2.2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目樁板式結(jié)構(gòu)采用無(wú)梁板式結(jié)構(gòu)，懸臂板寬2.265 m，橫向橋墩間距4.2 m，總預(yù)制板寬12.75 m。管樁與梁板采用固結(jié)連接。標(biāo)準(zhǔn)跨徑6 m，等跨徑布置，15孔一聯(lián)，聯(lián)長(zhǎng)90 m。樁板式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)立面如圖2所示。

圖2 樁板式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)立面/mm

橋面板采用縱向分塊預(yù)制，中跨由兩塊樁頂A板和一塊跨中B板組成；邊跨由一塊樁頂A板、一塊跨中B板和一塊邊跨樁頂C板組成。每?jī)蓧K相鄰預(yù)制板之間由濕接縫進(jìn)行連接，濕接縫寬度0.3 m。A板、B板、橫向跨中板厚30 cm，懸臂端厚20 cm，加腋根部50 cm厚，沿順橋向等厚度布置。橫橋向板寬均為12.75 m。位于聯(lián)端 （伸縮縫端） 的C板為提高剛度和強(qiáng)度，跨中板厚與加腋根部同厚，為50 cm；懸臂端板厚20 cm；縱向加厚范圍為聯(lián)端1 m范圍。聯(lián)端設(shè)置4 cm伸縮縫。

下部采用PRC-Ⅰ600B110管樁形式，適用于打入法施工管樁采用C80型混凝土，600型樁壁厚0.11 m，樁頂1.9 m范圍內(nèi)填芯混凝土。聯(lián)端樁與小蓋梁通過(guò)預(yù)埋鋼板與管樁端板焊接，梁板放置于小蓋梁上，蓋梁與橋面板之間設(shè)置滑板式橡膠支座。樁板式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖3所示。

圖3 樁板式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面/cm

2.3 樁板連接構(gòu)造設(shè)計(jì)

樁頂與板連接如圖4所示，樁頂外套一外徑為630 mm壁厚10 mm的圓形鋼管，鋼管焊接在管樁端板上，鋼管上部采用橡膠條密封。同時(shí)放置填芯鋼筋籠，最后在板頂預(yù)留孔中灌注C50無(wú)收縮混凝土與預(yù)制板實(shí)現(xiàn)固結(jié)，形成整體連接接頭。為提高連接接頭的耐久性， 需對(duì)連接套管進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。

圖4 管樁與預(yù)制板連接接頭設(shè)計(jì)

2.4 主要施工方案

PHC管樁采用錘擊法打入施工。首節(jié)樁在一般情況下入土30～50 cm為宜，然后進(jìn)行調(diào)校。調(diào)校垂直度在允許值以內(nèi)才能沉樁。沉樁過(guò)程中施工員隨時(shí)觀察樁的進(jìn)尺變化，如遇地質(zhì)層有障礙物、樁桿偏移時(shí)，應(yīng)分行程逐漸調(diào)直。管樁頂節(jié)2 m范圍采用刻度進(jìn)行標(biāo)記，施工中記錄錘擊數(shù)50、100的打入高度，作為單樁理論承載力計(jì)算依據(jù)。成樁后，及時(shí)對(duì)樁頂平面坐標(biāo)以及樁頂標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，必要時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整，確保滿足設(shè)計(jì)要求[1]。

預(yù)制橋面板采用分段吊裝的施工方法，在墩柱中間增設(shè)臨時(shí)抱箍并搭設(shè)工字鋼支撐，抱箍采用鋼板螺栓連接，抱箍緊抱在預(yù)制管樁上利用管樁支撐受力，保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保了架設(shè)施工的質(zhì)量和安全。

3 樁板結(jié)構(gòu)靜力有限元分析

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算假定

本次計(jì)算模型采用MIDAS CIVIL進(jìn)行數(shù)值分析。其中橋面板采用板單元模擬，劃分約為500 mm×500 mm一個(gè)單元，有限元模型中以不同板厚來(lái)模擬樁頂加腋部分；樁采用梁?jiǎn)卧M。結(jié)構(gòu)有限元離散如圖5所示。為了模擬土質(zhì)對(duì)樁的作用，分析中利用節(jié)點(diǎn)彈性支撐建立橫向和縱向的土彈簧。彈簧的剛度依據(jù)“M”法計(jì)算得到土的水平作用效應(yīng)。其中土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)取用10 MN/m4。

圖5 樁板結(jié)構(gòu)有限元離散圖

3.2 結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算結(jié)果

基本組合下 （車(chē)道荷載偏載作用下），單位寬度內(nèi)樁頂板順橋向最大負(fù)彎矩發(fā)生在此邊支點(diǎn)處邊肋加厚段位置，為-515.7（kN·m)/m，對(duì)應(yīng)最大軸力為-308.6 kN/m；順橋向最大正彎矩發(fā)生在邊跨跨中邊肋加厚段位置，為625.2 （kN·m)/m，對(duì)應(yīng)最大軸力為1 185.3 kN/m。基本組合下，單位寬度內(nèi)肋板之間橫向跨中順橋向全部承受正彎矩，且最大彎矩發(fā)生在邊跨跨中處，為179.0（kN·m)/m，對(duì)應(yīng)最大軸力為-104.6 kN/m。荷載基本組合作用下單位寬度板內(nèi)力圖如圖6所示。

圖6 荷載基本組合作用下單位寬度板內(nèi)力圖

表2表示肋板與橫向跨中位置各板單位寬度1.0 m內(nèi)縱向配筋情況。

表2 各板塊縱向鋼筋配筋情況

經(jīng)驗(yàn)算，肋板頂部縱向最大裂縫寬度為0.04 mm，肋板跨中位置處縱向最大裂縫寬度為0.108 mm，滿足規(guī)范鋼筋混凝土構(gòu)件的要求。結(jié)構(gòu)抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。

3.3 結(jié)構(gòu)橫向計(jì)算結(jié)果

基本組合下 （車(chē)道荷載偏載作用下），單位寬度內(nèi)樁頂板橫橋向最大負(fù)彎矩發(fā)生在聯(lián)端位置邊肋處，為-755.5 kN·m，對(duì)應(yīng)軸力為-949.9 kN；橫橋向最大正彎矩發(fā)生在聯(lián)端橫向跨中位置，最大為143.9 kN·m，對(duì)應(yīng)軸力為-89.0 kN。

表3表示聯(lián)端、邊跨跨中和次邊支點(diǎn)位置各板單位寬度1.0 m內(nèi)橫向配筋情況。荷載基本組合作用下單位寬度板內(nèi)力圖如圖7所示。

表3 各板塊橫向鋼筋配筋情況

圖7 荷載基本組合作用下單位寬度板內(nèi)力圖

經(jīng)驗(yàn)算，聯(lián)端頂部橫向最大裂縫寬度為0.138 mm，肋板橫向跨中位置處最大裂縫寬度為0.125 mm，滿足規(guī)范鋼筋混凝土構(gòu)件的要求。結(jié)構(gòu)抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。

3.4 管樁承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

基本組合下，樁基順橋向樁頂所受最大彎矩為150.9 kN·m，橫橋向樁頂所受最大彎矩為143.1 kN·m，樁頂最大軸力為1 454.4 kN。

根據(jù)混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PRC-Ⅰ600B110管樁管樁樁身豎向承載力設(shè)計(jì)值Rp=3 900 kN，抗裂彎矩Mcr=266 kN·m；彎矩設(shè)計(jì)值M=471 kN·m；可知，滿足要求。

圖8 荷載基本組合下管樁順橋向彎矩（單位：kN·m）

正常使用極限狀態(tài)下，PRC-Ⅰ600B110管樁有效預(yù)壓應(yīng)力為8.54 MPa，由計(jì)算得管樁樁頂最大拉應(yīng)力為5.5 MPa，可知管樁在頻遇組合作用下不出現(xiàn)拉應(yīng)力，所以該結(jié)構(gòu)中，管樁的正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算通過(guò)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以270 m新型樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段為工程背景，介紹了適用于公路工程的新型樁板式結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案及細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了有限元數(shù)值分析，主要結(jié)論如下：

（1） 新型樁板式結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式，其在公路工程中的應(yīng)用，可解決傳統(tǒng)公路占地較多、需要大量填土的缺點(diǎn)，符合綠色公路的發(fā)展理念。

（2） 本項(xiàng)目的有限元分析結(jié)果表明，采用30 cm厚的預(yù)制板及PRC-Ⅰ600B110管樁可滿足結(jié)構(gòu)的使用要求；

（3） 為了進(jìn)一步推廣本結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞特性及抗震性能進(jìn)行研究。