桩板式路基结构抗震性能分析

方正东，窦巍，张浩

（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.交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

0 前言

G3W高速地处安徽省中部，沿途经过合肥市、六安市、安庆市及铜陵市，是我省高速公路网规划中“纵三”高速的一段。G3W高速合肥到枞阳段桩板式路基总长19.5km，标准跨径6m，等跨径布置，15孔一联，标准联长90m。桥面板采用纵向分块预制，管桩与梁板采用固结连接。

本文以k97+237.5段桩板路基为例，选取联长132m、墩高8m的桩板路基（这种工况下结构上部质量最大、墩高最高为桩基最不利受力工况），作为抗震计算分析对象，采用管桩基本情况如表1。

管桩基本情况 表1

勘察场地位于抗震设防烈度为7度。本区内Ⅱ类场地设计地震峰值加速度0.10g，反应谱特征周期为0.35s。

1 计算模型和验算内容

1.1 有限元模型建立

主梁采用免涂装高性能耐候钢，根据桥面宽度的不同，横向截面就采用不同的免涂装高结构地震动力反应分析采用空间结构的有限单元方法，计算模型以顺桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为z轴。本次计算模型采用MIDAS CIVIL进行数值分析。其中桥面板采用板单元模拟，划分约为500mm×500mm一个单元，有限元模型中以不同板厚来模拟桩顶加腋部分（50cm厚）和等厚部分（26cm厚）；桩采用三维梁单元模拟下部结构，根据地质资料按“m法”计算桩基－土相互作用，节点弹性支承模拟土对桩基础约束作用。图1为Midas Civil动力有限元模型图（1号墩为边墩，2号墩1/4跨处墩，3号墩1/2跨处墩）。

图1 动力有限元分析模型

1.2 荷载组合

根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）3.4.2，地震作用效应组合应包括永久作用效应+地震作用效应，组合方式应包括各种效应的最不利组合，应当考虑纵向、横向以及竖向三个方向地震作用效应。

1.3 验算内容

根据桩板路基结构特点，应当验算以下内容：①E1、E2地震作用下桩板连接接头抗剪承载力及偏心受压承载力验算；②E1、E2地震作用下桥墩PRCI-500AB110管桩抗剪承载力及偏心受压承载力验算；③E1、E2地震作用下桩基PHC-500AB110管桩抗剪承载力及偏心受压承载力验算。

2 E2地震作用下反应分析结果

2.1 关键节点最大位移

在E2地震的输入下，利用反应谱分析方法，可以得到结构各关键节点的位移响应，其结果见表3。

抗震计算基本信息 表2

E2地震关键点最大位移 表3

2.2 管桩控制截面最大地震内力

E2地震作用的输入下，利用反应谱分析方法，可以得到各桥墩关键截面的地震响应，其结果分别见表4和表5。

E2地震作用下桥墩控制断面内力值（纵向＋竖向输入） 表4

E2地震作用下桥墩控制断面内力值（横向＋竖向输入） 表5

A纵向+竖向地震见表4。

B横向+竖向地震输入见表5。

3 截面抗震验算

3.1 验算结果

针对采用反应谱方法计算所得的地震内力，并与恒载内力组合，进行了截面抗弯能力的验算。由于E1地震作用下，桩板接头以及管桩内力和位移均较小，结构显然处于线弹性状态，因此，仅列出E2地震作用下内力验算结果。

3.1.1 E2地震作用下桩板连接接头验算

表6所示为E2纵桥向和横桥向地震输入下桩板连接接头抗剪验算结果。

桩板连接接头抗剪验算 表6

由表6可知，桩板连接接头在E2纵桥向和横桥向地震作用下抗剪验算满足要求，安全系数最小为5.5。

E2地震作用桩板连接接头偏心受压承载能力验算结果，表7所示为E2纵桥向和横桥向地震输入下桩板连接接头偏心验算结果：

桩板连接接头抗弯验算（验算轴力=恒载轴力-地震动轴力） 表7

计算过程中取结构最不利轴力组合，并且分别用Mander模型和双折线模型定义混凝土和钢材材料本构关系，求得弯矩-曲率（P-M-Φ）曲线以判断结构是否进入屈服状态。图2为1#墩桩板接头在纵向地震作用下初始屈服弯矩计算结果：

图2 初始屈服弯矩计算结果

由表7可知，桩板连接接头在E2纵桥向和横桥向地震作用下受力始终处于弹性状态，截面弯矩M＜Meq，安全系数最小为1.1，结构基本无损伤，接头处未进入塑性状态，结构未出现塑性铰，无需进行塑性转角变形验算，满足抗震计算要求。

3.1.2 E2地震作用下桥墩（PRC管桩）验算

表8所示为E2纵桥向和横桥向地震输入下桥墩（PRC管桩）抗剪验算结果。

桥墩（PRC管桩）抗剪验算 表8

由表8可知，桥墩PRCI-500AB110管桩在E2纵桥向和横桥向地震作用下抗剪验算满足要求，安全系数最小为6.1。

表9所示为E2纵桥向和横桥向地震输入下桥墩（PRC管桩）抗弯验算结果。

桥墩（PRC管桩）抗弯验算 表9

由表9可知，桥墩PRCI-500AB110管桩在E2纵桥向和横桥向地震作用下受力始终处于弹性状态，截面弯矩M＜Meq，安全系数最小为1.6，结构基本无损伤，桥墩未进入塑性状态，结构未出现塑性铰，无需进行塑性转角变形验算，满足抗震计算要求。

4 地震反应分析结论

根据桩板路基的结构特点，建立了空间动力计算模型，应用反应谱分析方法，研究结构在E1、E2地震作用下的地震反应，并对E1、E2地震作用下的抗震性能进行了验算，桩板连接接头、桥墩PRC管桩、桩基PHC管桩的抗剪承载力和抗弯承载力均满足抗震设计要求，结构均处于线弹性工作状态，基本无损伤。

合枞高速公路所处地区设防烈度为7度，在地震作用下结构顺桥向响应大于横桥向响应，在结构目前尺寸及配筋情况下，抗震性能良好，满足抗震规范相关要求。