桩板式路基结构动力性能研究

毛攀，杨洋

（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 引言

本项目依托工程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 K505+209．705～K594+532．741 中的新建桩板式路基工程。

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。这种结构形式适应性很强，对不同地段可以灵活应用。

桩板式路基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。桥面横坡由桩顶高弹改性聚合物矩形垫块、高模量改性聚合物圆环垫片、改性聚合物弹性垫片及粘结胶调整。预制板采用C40 混凝土，设两道纵肋。板分为预制及现浇两部分，预制部分宽度11．8m，现浇部分0．95m，预制板预留纵向钢筋，与现浇部分连接成整体。板厚0．24m，肋高0．44m，肋底宽0．7m，左侧倒角尺寸为0．2m×0．2m，右侧倒角尺寸为0．2m×0．2m，肋中心距为6m，左侧肋板中心距预制板边距离为2m。现浇部分高0．41m，采用C40 混凝土。

1 桩板式路基结构的自振特性研究

为计算桩板式路基的自振特性，并确保计算结果的可靠性，使用MIDAS CIVIL 建立了新建桩板式路基结构的梁格法模型，计算得到了桩板式路基结构的1～4 阶的自振振型，如图1 所示。同时，得到了1～4 阶自振的频率与周期，如表1所示。

图1 桩板式路基1～4阶自振振型

表1 抗震计算基本信息

计算结果表明，新建桩板式路基结构的自振基频为7．657r/s，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中规定的冲击系数计算方法，计算得到新建桩板式路基结构的车辆荷载的冲击系数约为1．34。同时，通过对结构前4 阶振型参与质量的比较，发现结构的主要振型参与质量出现在竖向的平动、顺桥向的转动与横桥向的转动三个方向上。其中，竖向平动的最大振型参与质量为19．24%，出现在第2阶自振中；顺桥向转动的最大振型参与质量为59．48%，出现在第1 阶自振中；横桥向转动的最大振型参与质量为21．78%，出现在第4 阶自振中。

2 桩板式路基结构的冲击效应研究

2.1 冲击系数测试位置

动荷载采用一辆载重车，以不同车速在路面行驶以及停止，以测量不同动荷载情况下主跨结构控制断面的动态增量。选择受力较为不利的典型桩柱以及边跨跨中布置动应变测点。

图2 板底部纵向测点布置图

图3 板底部横向测点布置图

图4 板底部及桩柱测点布置示意图

2.2 车辆动载选择与加载

动荷载试验采用1辆35t载重车，进行以下两种不同的动载试验项目。

①跑车试验

一辆35t 重车分别以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h 的车速 驶过路面，记录测点的动应变时程信号。

②刹车试验

一辆35t 重车分别以20km/h、30km/h、40km/h 车速驶到边跨跨中截面附近时，突然刹车，记录所有测点的动应变时程信号。

车辆在路面行驶的位置如图5 所示。

图5 车辆行驶位置

2.3 结构冲击系数分析

桩板式路基结构的边跨荷载响应较为明显，以下选用边跨跨中的纵、横向应变进行分析。

①跑车试验

一辆35t 重车分别以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h 的车速 驶过路面，通过整联后减速停下，记录测点的动应变时程信号。

②刹车试验

一辆35t 重车分别以20km/h、30km/h、40km/h 车速驶到边跨跨中位置时突然急刹车，记录测点的动应变时程信号。

①动载试验中边跨纵向应变响应要大于横向应变的响应，说明结构横向刚度大于纵向刚度；

②跑车试验中纵横向应变的曲线起伏方向相反，说明两个方向的应变互相影响，有一定程度的泊松比效应；

③刹车试验中应变时程曲线有一小段平台，说明在刹车后应变不能立即回复到原有水平，其主要原因是产生了明显的水平荷载，在车辆停下之后，结构应力即会恢复。当车速较快时，此现象不明显主要是因为车辆作用距离较远；

④跳车试验中结构应变响应有一个明显的主峰，应变的变化较快，曲线较为陡峭，说明跳车荷载的冲击效应明显。在日常运营中应注意路面平整度。

2.4 冲击系数分析结果汇总

规范定义，在桥梁的最不利加载位置布置车辆荷载，在移动车辆荷载作用下的动态增长率，称为冲击系数。在一辆或横向一排移动车辆荷载作用下的动态增长率称为动态增量。对于不同的测量项目，可以定义不同的动态增量。如应变动态增量可表示为：

通过动载试验可以求得结构应变测点的应变时程，对其进行计算，可以求得结构动载下的冲击系数。

表2 汇总了动载试验中所有试验工况下结构测点的冲击系数，从中可以看出：

表2 测点动载冲击系数

①动载试验最大冲击系数为1．205，计算时采用的冲击系数为1．20，说明结构动力性能整体良好。

②结构在边跨的冲击效应偏大，可以通过调整板厚及设置横梁等措施增加其刚度，改善桩板式路基结构的动力性能，使其满足要求。

3 结语

本文主要针对桩板式路基结构的动力特性进行了分析与研究。首先通过数值计算与分析，探讨了桩板式路基结构的自振特性。同时，依托实际工程，开展了桩板式路基的动力特性现场测试，并根据试验结果对桩板式路基面板与桩柱的冲击系数进行了分析。

图6 边跨跨中动应变时程

图7 边跨跨中动应变时程

图8 冲击系数计算

探讨了桩板式路基结构的自振特性。本项目利用MIDAS CIVIL 建立了新建桩板式路基的梁格法模型，并进行了桩板式路基结构的自振特性分析。结果表明，新建桩板式路基结构的自振基频为7．657r/s。同时，对桩板式路基结构前5阶振型的参与质量进行了比较。

进行了桩板式路基动力特性的测试与冲击系数的分析。依托实际工程，通过跑车试验、刹车试验动载试验测试了桩板式路基结构的冲击系数，并对冲击系数的结果进行了分析。结果表明，动载试验中结构的最大冲击系数为1．206；结构在边跨的冲击效应偏大，可采用措施提高边跨的刚度，改善桩板式路基结构的动力性能。