整體式懸挑結(jié)構(gòu)與巖土共同作用研究

劉晨光，周志祥，毛久群

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

20世紀(jì)90年代末期至今，我國(guó)高速道路的建設(shè)逐漸進(jìn)入山區(qū)后，仍然側(cè)重于道路的功能因素(安全、迅速)，沿用傳統(tǒng)的以填挖方為主，節(jié)約工程造價(jià)的設(shè)計(jì)思想，依然不重視環(huán)境因素。因此道路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求越高，對(duì)自然人文景觀、生態(tài)環(huán)境的破壞越嚴(yán)重，給子孫后代留下無(wú)窮的隱患。針對(duì)這種現(xiàn)狀，周志祥［1］、游濤，等［2］提出了一種不破壞生態(tài)環(huán)境、挖填方小、造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單，適用于不同地形地質(zhì)條件下、又允許在施工的時(shí)候車輛正常通的道路拓寬結(jié)構(gòu)——整體式懸挑結(jié)構(gòu)(圖1、圖2)。該結(jié)構(gòu)已成功地應(yīng)用于西藏昌都類昌路改建工程中(圖3)。

從圖1、圖2可以看出，整體式懸挑結(jié)構(gòu)是由立柱、墻體、挑梁、搭板、縱梁及錨桿聯(lián)結(jié)一體共同作用的整體框架結(jié)構(gòu)形式［3-4］，具有整體受力、協(xié)調(diào)變形的特點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)作為一種道路拓寬技術(shù)，是修建在原有山體上，立柱和墻體內(nèi)側(cè)巖土將對(duì)結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生影響，為了保證設(shè)計(jì)的合理性，需要對(duì)結(jié)構(gòu)與巖土的共同作用進(jìn)行研究。

圖1 典型立面Fig.1 Typical elevation

圖2 典型斷面Fig.2 Typical sectional view

圖3 工程運(yùn)用Fig.3 Engineering application

1 有限元分析

為了清楚認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)與巖土在荷載下的性能［5］，建立該結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行研究。

1.1 建立有限元模型

借助計(jì)算機(jī)利用數(shù)值方法求解，利用大型通用軟件ANSYS10.0對(duì)文中結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析［6］。采用Solid45單元模擬主體結(jié)構(gòu)與土體，材料按照各自特性，主體結(jié)構(gòu)彈性模量取3×104MPa，泊松比取0.25;土體彈性模量取 20 MPa，泊松比取 0.3。

施工時(shí)立柱嵌入巖體地基，與地基形成強(qiáng)大嵌固端，故可以將柱底考慮成固結(jié)，立柱四周預(yù)埋鋼筋，并通過(guò)后澆混凝土接頭與挑梁形成固結(jié)。在挑梁與縱梁交接處，挑梁預(yù)埋鋼筋通過(guò)縱梁后澆混凝土形成錨固點(diǎn)，錨桿在縱梁的包裹下，與挑梁鋼筋連接在一起，保證了挑梁所受荷載能傳至錨桿，共同受力，在錨桿點(diǎn)考慮成鉸接［7］。挑梁長(zhǎng)7.5 m，懸臂部分3 m，立柱高4 m，建立有限元模型如圖4。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

1.2 加載求解

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，選擇以下4種工況進(jìn)行研究:①在距縱梁1.8 m處作用豎向荷載F=70 kN;②在距縱梁1.8，3.1 m處作用豎向荷載F=70 kN;③在距縱梁 1.8，5.2，7 m 處作用豎向荷載 F=70 kN;④在距縱梁5.2，7 m處作用豎向荷載F=70 kN。

分別計(jì)算以上4種工況，得出工況1～工況3的結(jié)構(gòu)變形圖相似，土體應(yīng)力圖也相似(圖5)，工況4如圖6。

圖5 工況1～工況3結(jié)構(gòu)變形和土體應(yīng)力Fig.5 Structure deformation and soil stress under load condition 1，2，3

圖6 工況4結(jié)構(gòu)變形和土體應(yīng)力Fig.6 Structure deformation and soil stress under load condition 4

從圖5、圖6可以看出:

1)對(duì)于挑梁底面土體:當(dāng)挑梁內(nèi)側(cè)有荷載作用時(shí)，其產(chǎn)生土體反力，反力呈近似三角形分布(工況1～工況3)，無(wú)荷載時(shí)，產(chǎn)生拉力，此時(shí)可不考慮土體反力(工況4)。

2)對(duì)于立柱內(nèi)側(cè)土體:在汽車荷載作用下，由于整個(gè)立柱側(cè)向變形很小，可以忽略，當(dāng)挑梁內(nèi)側(cè)有荷載作用時(shí)，土體被擠壓，無(wú)荷載時(shí)，其變形可以忽略。

2 簡(jiǎn)化計(jì)算

根據(jù)以上有限元分析，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況將計(jì)算模型簡(jiǎn)化分為以下兩種情況:

1)挑梁內(nèi)側(cè)有荷載作用時(shí)，考慮挑梁底土體反力，呈三角形分布，內(nèi)側(cè)土體為被動(dòng)土壓力［8］，如圖7(a)。

2)挑梁內(nèi)側(cè)無(wú)荷載作用時(shí)，不考慮挑梁底土體反力，立柱承受內(nèi)側(cè)土體靜土壓力，如圖7(b)。

圖7 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.7 Simplified computation model

對(duì)于以上兩種情況，將錨桿固定端(1位置)、挑梁內(nèi)側(cè)根部(位置2)、立柱底部固定端(位置3)作為控制截面，用力法求出內(nèi)力。算法如下:①輸入截面尺寸，荷載信息;②判斷是否有挑梁內(nèi)側(cè)荷載;③有挑梁內(nèi)側(cè)荷載按圖7(a)進(jìn)行計(jì)算，無(wú)挑梁內(nèi)側(cè)荷載按圖7(b)進(jìn)行計(jì)算;④按力法［9］選擇未知量，求出各截面內(nèi)力;⑤結(jié)束。

根據(jù)以上算法，用 visual c++［10］編織計(jì)算程序，程序界面如圖8。

圖8 程序界面Fig.8 Programm interface

3 共同作用研究

為了研究不同巖土對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，選取如圖5的最不利工況對(duì)結(jié)構(gòu)加載，F(xiàn)=70 kN，采用筆者提出的程序進(jìn)行分析。分析巖土選擇軟土(E=104)、老填土(E=105)、碎石土(E=106)、砂巖(E=107)幾種類型，選擇土體反力，2，3位置截面的內(nèi)力作為應(yīng)變量。計(jì)算結(jié)果如圖9。

圖9 截面內(nèi)力隨巖土地基變化Fig.9 Variation diagram of internal force of section with the change of rock-soil foundation

圖9 中，A，B，C，D，E，F(xiàn) 曲線分別依次為 R，M2，N2，Q2(N3)，M3，Q3。R 為土體反力;Mi為 i位置的彎矩;Ni為i位置的軸力;Qi為i位置的剪力。從圖9中可看出:

1)隨著巖土彈性模量的增大，R，N2增大，Q2，M2，N3，Q3，M3減小，并且 R 變化幅度最大，M3與 Q3基本重合。

2)隨著巖土彈性模量的增大，R迅速減小，彈模從104變化到106時(shí)，R相對(duì)值從0.85減小到0.14。

3)隨著巖土彈性模量的增大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化趨于平緩，可見一味增大巖土彈性模量，并不是經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)彈模增大到一定時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響將很小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可以得出以下結(jié)論:

1)簡(jiǎn)化模型將立柱底假定為固結(jié)，為保證設(shè)計(jì)的合理性，在實(shí)際工程中保證立柱基底容許承載力應(yīng)大于等于0.8 MPa;

2)利用有限元軟件，建立了結(jié)構(gòu)實(shí)體有限元模型，較保守地對(duì)結(jié)構(gòu)的整體工作性能進(jìn)行研究，得出其結(jié)構(gòu)與土體變形特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)受力分成兩種情況簡(jiǎn)化計(jì)算;

3)巖土對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能總體來(lái)說(shuō)是有利的，合理的巖土，能減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，降低造價(jià)，實(shí)例分析證明，選用老填土和碎石土經(jīng)濟(jì)是可行的。

［1］周志祥.一種用懸挑結(jié)構(gòu)拓寬山區(qū)道路的方法:中國(guó)，200410044492.0［P］.2004-05-15.

［2］游濤，周志祥，鄭文.用邊坡格構(gòu)基礎(chǔ)懸臂結(jié)構(gòu)拓寬山區(qū)道路新技術(shù)［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，30(1):74-77.YOU Tao，ZHOU Zhi-xiang，ZHENG Wen.A new technology of widening mountain road using slop-lattice foundation［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(1):74-77.

［3］王浩，周健，鄧志輝.樁-土-承臺(tái)共同作用的簡(jiǎn)化分析方法［J］.巖土力學(xué)，2007，28(6):1172-1175.WANG Hao，ZHOU Jian，DENG Zhi-hui.The simplified calculation method of pile-soil-pile cap interaction［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(6):1172-1175.

［4］宰金珉，宰金璋.高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計(jì):土與結(jié)構(gòu)物共同作用的理論與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.

［5］Coyle H M，Reese L C.Load transfer for axially loaded pile in clay［J］.Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering Division，1966，92(2):1-26.

［6］劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002:50-123.

［7］邱娟.用整體懸挑結(jié)構(gòu)山區(qū)道路拓寬的探索與實(shí)踐［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2006.

［8］趙明階.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，2006:155-191.

［9］李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004:124-168.

［10］孫鑫，余安萍.C++深入詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006:219-263.