摘要：以合肥绕城高速公路陇西至路口段应急工程桩板式路基试验段为研究对象，探讨了桩板式路基的结构选型、计算方法和计算模式，采用了Ansys实体单元模拟方法进行模拟，研究本类结构的主要构件的力学性质与受力特征。并对运营过程中桩柱的受力性能进行了分析，分析认为在组合效应作用下，设计桩柱是能够保证结构的稳定性与安全性的。通过本文的研究，可以为同类工程的设计提供参考。
关键词：桩板式路基；结构选型；承载能力；计算分析
0 引言
随着现在高速公路交通网的发展，许多原有的道路已经无法满足现有的需求，因此国内许多道路面临着需要进行拓宽的情况。以往的公路拼宽中，拼宽部分的路基往往采用的是填筑路基的施工方法，而原有的路基已沉降稳定，而拼宽填方路基由于填筑施工时间有限，不能保证其稳定沉降，极易产生裂缝和新老路基衔接错台等现象[1]。桩板结构路基是一种新型路基结构，相比于土质路基有工后沉降小，整体刚度大的优点。桩板结构是处理深厚软土、松软土和深厚湿陷性黄土的有效方法[3]。这种结构形式适应性很强，对不同地段可以灵活应用。本课题研究的桩板式路基结构，利用其结构特点用于高速道路的改扩建工程建设中，且具有可工厂预制，现场拼装，施工便利的特点[4]。所以在工业化建造的大背景下，利用桩板式路基结构能够有效解决高速公路的改扩建问题。
1 工程概况
合肥绕城高速公路陇西至路口段应急工程，是G40沪陕高速和G3京台高速的共线段，项目起点为陇西枢纽互通，顺接合巢芜高速公路，终点为路口枢纽互通，顺接合徐高速公路，全线按8车道标准进行扩建。总里程约9.44公里，设计速度120Km/h。本项目为合肥绕城高速公路陇西至路口段应急工程桩板式路基试验段，线路中心里程为K7+066.009～K7+435.266左右幅加宽部分。本结构的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，联端设无缝伸缩缝，缝宽2cm。桥梁设计范围内（K7+065.356～K7+309.277）既有路基宽度为26～26.6m，拼宽后路基总宽度为49m，两侧各设置0.5m波形防撞护栏。
2 公路桩板式无土路基结构原型设计
2.1. 桩板式路基结构的结构选型
桩板式路基结构的上部结构采用预制钢筋混凝土板，联端设无缝伸缩缝。混凝土板分为预制及现浇两部分，预制板预留横向钢筋，与现浇部分连接成整体，两侧各设置波形防撞护栏。
图1 预制钢筋混凝土板
预制钢筋混凝土板采用C40混凝土，板的标准设计厚度为0.24m，预制板在纵向设置了两道通长的纵肋，肋高为0.44m，肋底宽0.7m，倒角尺寸为0.2m×0.2m。
下部结构为预制高摩擦表面管桩，左右幅加宽桩板路基结构内外侧桩为HPC500AB型管桩+PRC-Ⅰ500C型管桩，长度根据设计高度和底面高程确定。内桩外径均为500mm，壁厚100mm，桩顶1.4m范围内壁设置剪切钢筋，采用C50微膨胀混凝土。
桩与板的连接方式采用在桩顶设置高弹改性聚合物矩形垫块（过渡桩）、高模量改性聚合物圆环垫片（一般桩）、改性聚合物弹性垫片（圆环内现浇1cm高聚合物）及粘结胶（用于粘贴圆、环垫片与桩基端板）的方法进行连接。具体的连接方式见图2所示。
图2 桩板连接构造图
2.2.结构总体特性分析
（1）钢筋混凝土板受力模式特殊：上部结构钢筋混凝土板的纵向和横向跨径尺寸相近，在受力行为上属于双向受力。在纵向加肋部分由于肋骨较厚，该处的受力行为可近似地视为纵向单向受力。跨中位置力的传递方向为四向传递，在端部位置，荷载作用到混凝土板上后由三向传递，理论上来说端部位置的受力更为不利。
（2）桩柱一体化设计：桩柱一体化设计为本结构的一大构造特点，桩柱全部采用预制管桩，使得施工更加的便利，也便于进一步开展工业化批量生产。由于管桩采用工厂预制，其施工质量容易保证，结构承载能力也较为明确。对桩柱产生弯压作用的主要因素包括：结构自重荷载，车辆荷载，温度效应，沉降效应以及车辆制动力。其中，车辆效应和车辆制动力对桩柱的弯矩影响最大。
（3）桩板新型连接构造：下部桩柱与上部混凝土板的连接构造比较特殊，采用了高弹性模量的聚合物作为垫层，柔化了连接构造部位的刚度，使得本应定性为刚性的连接变成了一种半柔性的连接方式。该类连接方式能够有效地减小温度效应，沉降效应等对桩柱受力的影响，减小次应力效应对桩柱产生的弯矩。
图3 桩板连接构造（高弹模聚合物垫层）
（4）结构边界条件复杂：对于道路改扩建类的构造，与老路衔接处的构造是最为复杂的，在计算模拟时，边界条件的拟定也是难点之一[5]。桩板式路基结构在老路一侧将混凝土板搭接在老路上，并通过一段现浇段与老路相连。老路对混凝土板的竖向支撑并不是常见的刚性支撑，而是需要考虑地基效应的弹性支撑。
图4 桩板式路基结构老路一侧搭接构造
3 计算方法分析
3.1 桩柱的计算模式分析
通过全局整体建模分析结构的受力来进行分析与设计。利用Ansys有限元软件对结构进行建模分析。上部结构为钢筋混凝土板，采用solid45单元进行模拟。为了简化计算，同时兼顾计算精度，不考虑普通钢筋和接缝对结构的影响。利用beam188单元模拟连接钢筋，利用共节点原则将钢筋与混凝土进行耦合。
图5 桩板式路基有限元模型
3.2 桩板的计算模式分析
主要的验算方法有两种，一是截面承载能力验算，二是裂缝宽度计算。
（1）承载能力验算
弯矩承载能力验算需要计算得到计算弯矩值和设计抗力值。其中，计算弯矩值是通过Ansys数值模拟得到的板件上下缘应力值反推得到的。上下缘应力值参照Ansys的应力计算结果如下：
图6 ansys的应力计算结果图
如图所示，该部分板上缘最大压应力为9.5Mpa，下缘最大拉应力为9.0Mpa计算宽度1.0m的部分板的结构内力：
小于计算宽度范围的分布应力值为准进行计算的，所以计算得到的结构内力在验算过程中是偏保守的。
（2）裂缝宽度验算
裂缝宽度的计算方法按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）》中的计算方法计算。
4 计算结果与分析
4.1 运营过程中桩柱受力性能分析
根据桩柱在荷载单项效应下的计算分析可知，考虑降温作用下桩的弯矩与轴力更为不利，所以桩的正常使用极限状态验算中采用计算工况是考虑升温作用下的短期效应荷载组合，各荷载的作用按照规范《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）进行组合：1.0自重+1.0总体升温+0.8梯度升温+1.0制动力+0.7汽车荷载。由数值分析计算得到在短期效应组合作用下，各桩的桩顶弯矩如下。
图7 短期效应组合作用下桩顶内力图
根据以上计算结果可知，在短期效应组合作用下，桩身最大弯矩为25.36kNm，桩身最大轴力为522.2kN，小于抗裂弯矩170kNm，满足规范设计要求。从弯矩的冗余度来看，在正常运营过程中，结构桩柱的安全系数比较高。
4.2板的承载能力验算结果
通过对板的承载能力性能进行分析与验算，可以找到本类结构的最不利受力位置。为今后的设计提供理论依据，便于该类结构在今后的推广及应用。承载能力验算是基于公预规的相关规定，验算结构的极限承载能力，保障结构的可靠性与安全性。
基本组合下弯矩101kNm，轴力是222kN。结构理论抗力134kNm，和222kN。结构安全系数为1.33，满足设计要求。
4.3 板的抗裂验算结果
板的抗裂性能分析是通过检验在正常运营情况下，考虑车辆荷载，温度效应等组合荷载作用下，结构在短期组合，长期组合效应下的应力响应，并通过规范的检验方法计算结构的理论裂缝宽度，检验结构的安全性与耐久性，讨论该上部结构能否满足正常的使用要求。
表1 最不利位置验算结果
短期组合下最不利位置上缘应力7.28MPa，下缘应力5.7MPa，长期组合效应下上下缘应力分别是-5.87MPa和-4.3MPa。计算的裂缝宽度为0.115mm。从以上分析结果可知，上部混凝土板的抗裂性能基本能够满足使用要求。
5 结论
本文依托背景工程，针对桩板式路基结构的合理的计算分析方法进行了讨论，并对结构进行了分析计算，研究本类结构的主要构件的力学性质与受力特征，分析不利于本类结构的荷载组合效应，为今后本类结构的设计与施工提供理论基础。主要结论有：
（1）由于桩板式路基的上部结构有着双向板的受力特性，故常规的梁式计算方法不适于本类结构。本文采用了Ansys实体单元模拟的方法进行模拟计算。
（2）Ansys有限元建模的方式分别分析了对于桩柱和桩板结构的计算模式，并讨论了承载能力验算方法以及裂缝宽度的理论计算方法。
（3）通过计算分析得出运营过程中短期组合下结构内力的分布状态，再根据上述桩板式路基抗裂计算方法，对结构进行抗裂性能验算，结果满足要求，安全性能较好。
参考文献：
[1]王瑷琳.高速铁路桩板结构路基设计有关问题研究[J].路基工程，2016，（4）：55-59，64.
论文作者:陈维平
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/20
标签：结构论文; 路基论文; 组合论文; 弯矩论文; 荷载论文; 效应论文; 板式论文; 《基层建设》2018年第20期论文;