桩板结构受力特性分析与研究

桩板结构受力特性分析与研究
发布时间：2021-06-22T09:52:19.657Z 来源：《基层建设》2021年第8期作者：刘玉
[导读] 摘要：本文以广东珠海市某新建道路下穿广珠城际铁路桥工程为背景，选取3×20m埋入式桩板结构进行分析。

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摘要：本文以广东珠海市某新建道路下穿广珠城际铁路桥工程为背景，选取3×20m埋入式桩板结构进行分析。

结构形式考虑边支点处托梁与承载板固结和搭接两种情况，分析在这两种情况下结构的受力特性及适用情况，为市政道路下穿铁路桥工程方案设计提供指导性意见。

关键字：桩板结构，全固结，部分固结，道路下穿。

Abstract: Based on a new road underpassing the Guangzhu intercity railway bridge project in Zhuhai City, Guangdong Province, this paper selects the structure of 3×20m buried piles for analysis. The structural form considers the two conditions of the support beam and the carrier plate bonding and bonding at the edge fulcrum, analyzes the force characteristics and application of the structure in both cases, and provides guidance for the design of the railway bridge engineering scheme under the municipal road.
Keywords: pile plate structure, fully solidified, partially solidified, road underpass.
1 概要
在我国铁路经历了近几十年的高速发展后，城市新建市政道路不可避免地出现下穿铁路桥梁交叉点。

新建市政道路若采用路基形式，其附加荷载将会引起铁路桥梁附近土体沉降和侧向挤压变形，进而导致铁路桥梁桩基可能产生不均匀沉降和水平位移，影响铁路运营安全。

在城市软弱土层区域，这一现象将更加明显。

因此，合理地选择市政道路下穿铁路桥结构方式是解决这一难题的关键。

埋入式桩板结构是常见下穿铁路桥梁的一种结构形式，该结构优势在于一方面将新建道路的附加荷载通过桩基传递，避免对铁路桥桩基造成不利影响，另一方面埋入式可极大条件满足道路净空需求。

目前，关于埋入式桩板结构已有大量的应用及研究，其中以铁路采用桩板结构下穿铁路桥梁应用居多[1-3]，但对于市政道路下穿铁路桥梁的工程应用较少。

本文以广东珠海市某新建道路下穿广珠城际铁路桥工程为背景，选取板宽11.3m的3×20m埋入式桩板结构进行分析。

结构形式考虑边支点托梁与承载板是否固结，分析两种边界条件下结构的受力特性及适用情况，为市政道路下穿铁路桥工程方案设计提供指导性意见。

2 工程概况
2.1 工程简介
广东珠海市某新建道路分成左右两幅分别从广珠城际铁路桥孔下通过，左幅三个机动车道采用11.3m宽的3×20m跨径埋入式桩板结构从（48+80+48）m铁路连续梁桥边跨下通过。

道路中心线与铁路线夹角82.16°，桩板结构与铁路桥16#墩最小桩间距7.68m，结构两端距离铁路桥梁顶水平投影垂直距离为22.96m。

在高速铁路桥区间段，该跨径布置能较好地满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》3.0.10条要求：桩板结构两端距高速铁路桥梁水平投影外侧的垂直距离不应小于20m；同时也能保证中跨桩基较好的施工条件。

图1桥位平面图
2.2 结构类型
较大跨度的桩板结构常采用托梁式结构类型，由钻孔灌注桩、托梁与承载板3部分组成，托梁横向布置于钻孔灌注桩上部，其上方支撑承载板。

中支点处桩基钢筋穿过托梁锚固于承载板中，使得桩基、托梁及承载板在桩基位置处三者固接[4]；边支点处桩基与托梁固接，托梁与承载板根据需求可选择固结或者搭接。

本文以边支点处托梁与承载板固结和搭接两种情况进行具体受力特性分析，定义桩板结构边支点处桩梁板固结为全固结类型，边支点处梁板搭接为部分固结类型。

2.3 结构构造
承载板顶宽11.3m，底宽9.75m，悬臂宽0.5m，悬臂端部厚0.2m，根部厚0.25m，标准板厚1m。

在桩顶处设置托梁，托梁与桩基固结。

托梁宽1.5m，高2m，与承载板之间设置梗肋，梗肋尺寸为0.5（高）×1.25（宽）m。

托梁底设3根直径1.2m的钻孔灌注桩，按端承摩擦桩设计，桩间距3.15m，最外侧桩横向距离托梁端部1.75m。

承载板砼材料采用C45，桩基础砼材料采用C30，主筋类型为HRB400。

（a）全固结类型（边支点桩梁板固结）
（b）部分固结类型（边支点桩梁固结、梁板搭接）
图2纵向1/2对称立面图
图3横断面图
3 有限元模型
3.1 建模原则
（1）计算模型应能正确反映桩板结构承载板、桩基的刚度、质量分布特性。

（2）承载板、托梁、桩基采用三维梁单元模拟，分析模型考虑桩土的共同作用，通过多向等代弹簧模拟，等代土弹簧刚度的确定采用表征土介质弹性值的m参数来计算。

（3）荷载作用按实际情况施加，综合考虑汽车、温度、沉降等作用。

（4）承载板底地基土弹簧刚度较小，出于保守考虑，不计其作用。

3.2 边界条件
采用“m”法计算各桩基础等代土弹簧，并用节点弹性支承模拟，桩底设置一般支承，各土层m取值见下表。

表1 土层m取值
桩身节点弹性支承约束刚度按桩长36m，节段2m计算。

3.3 成桥方式
采用现浇施工方法，一次成桥。

3.4 Midas civil模型
1）桩板固结采用弹性连接中的刚性连接模拟，承载板以结构中心线每1m为节段、桩基以每2m为阶段划分单元，共计289个节点、276个梁单元，全桥位于直线段，建立MIDAS模型如图所示：
图4全固结Midas Civil模型
2）板梁搭接采用弹性连接中的受压连接模拟，其余同上，建立MIDAS模型如图所示：
图5部分固结Midas Civil模型
4 结构计算结果分析
综合考虑自重、二恒等永久作用与汽车、温度、沉降等可变作用组合。

根据《公路桥涵设计通用规范》要求，结构全固结与部分固结基本组合下最不利弯矩包络图如图所示。

（a）全固结
（b）部分固结
图6基本组合弯矩包络图（My，单位：kN·m）
从上图中可知，两种结构类型均在边跨跨中产生最大正弯矩，中支点处产生最大负弯矩。

承载板与托梁搭接相当于释放了固结处的转角约束，在边支点搭接位置处，承载板与桩顶弯矩为零，同时承载板边跨跨中最大正弯矩大于全固结边跨跨中最大正弯矩。

全固结边支点桩顶弯矩大于中支点桩顶弯矩，可见边支点桩基为控制性桩基，其偏心受压更不利。

基本组合、频遇组合、准永久组合下主要位置处内力计算结果如表所示：表2 基本组合下内力计算结果
表3 频遇组合下内力计算结果
表4 准永久组合下内力计算结果
根据内力计算结果，完全固结与部分固结截面配筋信息如下：
表5 截面抗弯主筋布置信息表
从上表配筋结果来看，承载板抗弯需配较多的受拉主筋，部分固结类型下承载板边跨跨中底部配筋较全固结多，在边支点顶部处配筋则较全固结少。

在全固结类型下，桩基顶部因弯矩较大需配置双肢筋，配筋率达2.83%，可适当加大桩径。

综合上述分析研究，3×20m跨径的桩板结构跨中及支点纵向弯矩较大，需配置较多的受拉主筋，因此，承载板板底宽度不宜过小，即承载板悬臂不宜过大。

全固结类型，桩基宜采用较大的桩径，但需注意满足与铁路桥桩间距最小6倍桩径的要求；部分固结类型，桩基可采用较小桩径，能较好的适应与铁路桥桩间距受限的设计情况。

5 结论
在城市软弱土层区域，新建市政道路下穿铁路桥梁采用埋入式桩板结构能较大程度减少对铁路桥运营安全的影响，且3×20m跨径能较好地满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》相关要求。

通过对该跨径桩板结构在边支点处托梁与承载板是否固结两种边界情况进行受力分析，得到如下主要结论，供工程设计参考：
1、跨中及支点纵向弯矩较大，需配置较多的受拉主筋。

2、承载板板底宽度不宜过小，即承载板悬臂不宜过大。

3、全固结类型，边支点处桩基为控制性桩基。

4、全固结类型，桩基宜采用较大桩径，部分固结类型，桩基可采用较小桩径。

参考文献
[1]丁兆锋. 郑西客运专线湿陷性黄土路基桩板结构分析与优化设计[D].西南交通大学,2007.
[2]姚洪锡. 武广客运专线软土地基桩板结构设计与应用研究[D].西南交通大学,2009.
[3]肖宏,冯雁,龚小平.桩板结构桩-板-土相互作用模型试验研究[J].岩土力学,2013,34(S2):81-87.
[4]廖超.上跨地铁的铁路路基桩板结构选型研究[J].路基工程,2018(04):188-191.。