公路桩板式结构地震响应规律分析

张金礼，张迎澳，左锐

（1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009）

0 引言

桩板式路基结构是一种新型桩板梁结构，是由工厂化预制的板、梁、管桩组成的框架结构体系，可有效控制路基沉降变形和纵向路基的不均匀沉降差。该结构最早应用于铁路领域，詹永祥等[1-4]以遂渝铁路无砟轨道段的桩板式路基结构为依托，进行了多项试验研究，综合比较了桩板结构与传统桥梁结构的优劣，并进行了不同跨度方案的初步比选。罗照新等[5]对比了容许应力法和极限状态法在桩板结构设计中的应用合理性。马斌等[6]借助有限元软件，对桩板结构在竖向荷载作用下的Mises 应力分布规律进行模拟分析。苏谦等[7]对郑西线桩板式路基结构的构造设计和结构优化进行研究，并通过室内模型试验加以验证。胡安华等[8]在模型试验的基础上，对遂渝线综合试验段桩板式路基结构的典型断面进行长期观测，结果表明桩板式结构能够较好地解决路基不均匀沉降的问题。王洪刚[9]利用ABAQUS 软件对斜坡地段桩板式路基结构的稳定性进行模拟分析。

近几年，桩板式结构在高速公路改扩建项目中的应用逐渐增加。2016 年合肥绕城高速公路陇西枢纽路段改扩建工程[10]为解决土地资源紧张问题并实现高安全性、快速节约的施工目标，使用了新型桩板式路基，并于2017 年通车运行。此后，合肥至枞阳高速公路济南至祁门段[11]使用桩板式路基提升基础承载力，节省填土面积和借土填方。2019年，雷进[12]依托G5011 芜合高速公路林头至陇西立交段改扩建工程，建立桩与板连接构造的非线性有限元模型，验证了所设计的桩板连接构造满足工程项目的实际应用。2020 年，徐皓甜[13]依托淮安市某高速公路改扩建项目，通过有限元模拟、参数化分析等手段，系统地研究了桩板式结构的承载和变形特性，研究确定了桩板式结构受力和变形的最不利工况，并给出了承载板厚度、肋中心悬臂端、桩间距和搭接宽度的建议值。

现阶段基于高速公路改扩建的背景，桩板式结构在高速公路建设中的应用正在逐步推广，但相应的理论研究还不够完善，特别是抗震性能研究，基本处于空白状态，制约了该类结构的推广应用。因此，本文以G40 沪陕高速公路合肥至大顾店段改扩建工程中提出并实施的新型桩板式结构为研究对象，对远场地震动作用下结构的地震响应规律进行分析，以期对该类结构的抗震设计提供有益借鉴。

1 新型桩板式结构概况

本文以G40沪陕高速公路合肥至大顾店段改扩建工程中提出并实施的新型桩板式结构为研究对象，该类结构主要分为上部结构、桩板连结构造以及下部结构，如图1所示。

图1 新型桩板式结构横断面图

该工程中上部结构采用预制钢筋混凝土板，标准跨径6m，7 孔联一联，标准联长42m，联端设无缝伸缩缝，缝宽4cm，桥梁设计范围内既有路基宽度为28m，拼宽后路基总宽度为42m，两侧各设置0.5m 防撞钢护栏。设计范围内板总宽8.75m，分为预制及现浇两部分，预制部分宽度7.30m、现浇部分1.45m，预制板预留横向钢筋，与现浇部分连接成整体。

桩板连接采用套筒式连接构造，施工设计如图2 所示，联端桩与小盖梁通过预埋钢板与管桩端板焊接，梁板放置在小盖梁上。下部采用先张法预应力混凝土高强管桩，采用PRC-I 500C 型管桩＋PHC 500AB 型管桩的配桩形式，上部为PRC 桩，下部为PHC 桩，长度根据桩顶反力与地层条件计算确定。

图2 挑梁及立柱断面图

2 OpenSees精细化有限元模型

为真实、高效地模拟预应力管桩和桩板连接构造的非线性力学行为与破坏机制，本文基于OpenSees（Open System for Earthquake Engineering Simulation）软件平台进行桩板式结构非线性有限元模型的建立及地震分析。

采用弹塑性纤维单元模拟预制管桩及桩板连结构造截面。纤维单元是将截面划分成一定数量的离散单元，一般包括钢筋纤维和混凝土纤维，每个纤维都赋予其相应的力学特征，即本构模型。因此，纤维截面可以反映钢筋、核心混凝土和保护层混凝土不同的力学特性，同时能够考虑单向弯矩或双向弯矩以及轴力对截面本构模型的影响。考虑到预制板在地震作用中一般仍处于弹性阶段，采用板壳单元模拟预制板来提高计算效率。本节以基准模型有限元模型为例，详细介绍有限元建模方法，此后的分析均基于基准有限元模型。

2.1 有限元模型概述

在OpenSees 中建立了一联（7 跨）桩板式结构，其中一跨6m，桩板连接构造高度为0.4m，桩长取10m，桩底采用固结，有限元模型如图3所示。

图3 OpenSees有限元模型

预应力管桩和桩板连接构造均为规则的圆截面，桩板连接构造的直径为516mm，其中钢护筒壁厚8mm，沿高度划分为2 个非线性梁柱单元，箍筋采用直径为10mm 的HPB300 钢筋，纵向钢筋采用12 根直径为25mm 的HRB400钢筋，内部灌浆料采用C50 补偿收缩混凝土；预应力管桩的直径为500mm，高为10m，预应力管桩身沿高度划分为8个非线性梁柱单元，箍筋采用直径为10mm 的HPB300 钢筋，混凝土采用C80，保护层厚为50mm，填芯段纵向钢筋采用12根直径为25mm 的钢筋，预制管桩的纵向钢筋采用直径为12mm 和12.6mm 的预应力钢棒各12 根，混凝土的有效预压应力为6MPa。

2.2 有限元模型材料本构

①混凝土本构模型

桩板连接构造中钢护筒内的混凝土等级为C50，考虑钢护筒对混凝土的约束作用，参考钢管混凝土中的约束混凝土本构模型，其本构关系如图4所示。

图4 混凝土、钢筋以及钢护筒本构模型

预应力管桩的材料为C80高强混凝土，材料模型采用Kent-Park 模型，该模型物理意义较为明确、数值稳定性好、能够考虑混凝土在反复荷载作用下的刚度退化，因而使用较为广泛。其保护层混凝土和约束混凝土的本构关系如图4 所示。

②钢筋和钢护筒本构模型

本研究中钢护筒、普通钢筋和预应力钢筋均采用Steel02 模型模拟，滞回法则为随动强化，同时可以考虑拉压方向的各项同性强化，其中预应力通过初应力法施加。钢筋材料采用HRB400 级钢筋，钢护筒材料采用Q245 钢材，钢筋和钢护筒的本构关系如图4所示。

2.3 有限元模型验证

为验证OpenSees 有限元模型的正确性，采用通用有限元软件SAP2000 计算了一联桩板式结构的动力特性，与OpenSees 计算的动力特性结果对比如表1所示，结果显示两模型的前2阶主振型周期误差在1%以内，说明了OpenSees模型的正确性和适用性。

表1 前5阶周期对比表

3 结果分析

本文基于考虑场地条件的反应谱，在太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center）分别选取了10 条实际远场地震波，远场地震波信息如表2 所示。采用纵向+竖向的地震动输入方式对结构进行地震动分析。

表2 实际地震波资料

为探究在不同远场地震强度下公路桩板式结构的地震响应，将10 条实际地震波的PGA 分别调幅至0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.30g、0.40g，分别对应《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01-2020）中抗震设防烈度为VI、VII、VIII、IX。

计算得到桩身弯矩及位移分布如图5所示，由图5可知桩身弯矩及位移均呈反对称分布，最大位置出现在桩板连接构造以及桩底处，反弯点出现在沿桩身1/2 高度处。为分析桩板连结构造以及预制管桩桩底在地震作用下的损伤发展规律，汇总六个不同强度地震动工况下两个关键截面的弯矩曲率图，如图6 所示。

图5 远场地震动下桩身弯矩及位移分布图

图6 不同远场地震动强度下桩板连接构造与管桩桩底弯矩曲率曲线图

对比分析图6 可知，随着地震动强度不断增加，预制管桩在地震动的PGA达到0.15g 时已经开始进入非线性阶段。而在PGA 由0.05g 增加到0.40g 的过程中，桩板连接构造一直处于线弹性状态，这是由于桩板连接构造的强度和刚度均大于预制管桩，在框架结构的特性下，桩板连接构造和预制管桩桩底所承受的地震动作用下的弯矩相差不多。因此当管桩已经进入屈服状态时，桩板连接构造仍未出现损伤，甚至仍然保持弹性状态，无法保护预制管桩。当地震动强度进一步增加时，预制管桩底部将率先发生破坏。

4 结论

本文以G40沪陕高速公路合肥至大顾店段改扩建工程中的桩板式结构为研究对象，基于OpenSees 软件平台，建立了桩板式结构的精细化非线性实体有限元模型，研究了远场地震动作用下结构的地震响应规律，主要结论如下：

远场地震动作用下桩板式结构响应规律与框架结构基本一致，弯矩沿桩身呈反对称分布，最大弯矩出现在桩板连结位置以及预制管桩桩底，反弯点在沿桩身高度1/2处；

在地震作用下，当桩板连结构造的承载能力大于预制管桩时，预制管桩桩底将先发生破坏，因此在实际工程中需要对桩板连接构造进行优化设计从而保护预制管桩。