三跨斜交地道橋受力特點(diǎn)探討

海 潮

(南通職業(yè)大學(xué)，江蘇 南通 226007)

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三跨斜交地道橋受力特點(diǎn)探討

海 潮

(南通職業(yè)大學(xué)，江蘇 南通 226007)

采用有限元軟件，建立了地道橋力學(xué)模型，對(duì)斜交角度分別為80°，70°，60°的一組三跨地道橋進(jìn)行了分析，通過對(duì)比研究，展示了三跨斜交地道橋的一般受力特點(diǎn)，進(jìn)而提出了一些地道橋的設(shè)計(jì)建議。

地道橋，ANSYS，受力特點(diǎn)，力學(xué)模型

1 地道橋構(gòu)造尺寸及荷載情況

三跨地道橋橋長(zhǎng)10 m，中凈跨為16 m，兩側(cè)邊凈跨為8 m，頂板厚0.8 m，底板厚0.9 m，高度為7 m。斜交角度分別取80°，70°，60°。三跨地道橋平面尺寸及考察截面如圖1所示。

列車活載采用中—活載；汽車荷載采用汽—20；軌底到頂板的高度為0.65 m，其中，道碴高度為0.55 m，防水層厚度為0.1 m；容重都為20 kN/m3；鋼筋混凝土容重采用25 kN/m3；橋跨內(nèi)無填土；不計(jì)溫度和土壓力的影響；橋上列車線路數(shù)為2，橋下公路車道數(shù)為2。荷載情況按以下采用：

恒載：碎石道床：W1=0.55×1.0×20=11.0 kN/m2；防水層重：W2=0.1×1.0×20=2.0 kN/m2；頂板的計(jì)算均布荷載W=W1+W2=13 kN/m2；地道橋結(jié)構(gòu)自重由ANSYS自動(dòng)計(jì)入。

活載：列車荷載：按下式計(jì)算，其中K為換算均布荷載；N為列車線路數(shù)；η為折減系數(shù)，單線為1，雙線為0.9，三線為0.8；B為橫向分布寬度。

一線行車時(shí)，N=1,η=1.0,B=2.5+2×1.15=4.8 m。

二線行車時(shí)，N=1,η=0.9,B=4.0+2×2.5/2+2×1.15=8.8 m。

取其大者，即q活=30.6kN/m2。

汽車荷載：汽—20，雙車道，按汽車均布荷載計(jì)算為：

其中，l為跨徑，m。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，近似中跨與邊跨的汽車均布荷載取值相同。

2 力學(xué)模型

其力學(xué)模型如圖2所示。這里把地道橋看作是由板組成的框架結(jié)構(gòu)，彈性地基用彈性鏈桿來表示。

在ANSYS中，采用四節(jié)點(diǎn)的Shell181板殼單元，底板單元節(jié)點(diǎn)處彈性鏈桿采用Combin14彈簧單元進(jìn)行建模，如圖3所示。

輸入的其他參數(shù)如下所示：彈性模量EX=3.15×104MPa,泊松比PRXY=0.03，鋼筋混凝土密度DENS=2 500 kg/m3,地基的彈性系數(shù)K=7×104kN/m3，各節(jié)點(diǎn)處彈簧剛度系數(shù)按面積進(jìn)行分配。考察的輸出數(shù)據(jù)為M11，M22，M12，其中M11為作用在橋跨方向的彎矩，M22為作用在橋長(zhǎng)方向的彎矩，M12為扭矩。為了便于說明，現(xiàn)對(duì)M11,M22正負(fù)號(hào)規(guī)定如下：頂板下側(cè)受拉為正，上側(cè)受拉為負(fù)；底板上側(cè)受拉為正，下側(cè)受拉為負(fù)，即頂?shù)装逡詢?nèi)側(cè)受拉為正，外側(cè)受拉為負(fù)。扭矩M12這里不關(guān)注其正負(fù)，主要看它的絕對(duì)值大小。

3 受力分析

斜交地道橋受力特點(diǎn)，以斜交角度60°為例說明(各個(gè)位置參見圖1，圖2)。

斜交地道橋(交角60°)橋跨方向彎矩M11分布規(guī)律如下所示：對(duì)于邊跨頂板：M11沿Z軸分布，各截面處都不均勻，M11在3—3截面銳角處出現(xiàn)最大負(fù)彎矩值；沿X軸分布，大致跨中(2—2截面)出現(xiàn)正彎矩極值，支承處(3—3截面)出現(xiàn)負(fù)彎矩極值。對(duì)于中跨頂板：沿Z軸分布,支承處(4—4截面)處出現(xiàn)最大負(fù)彎矩值(包括鈍角和銳角區(qū)域)，在跨中(5—5截面)處出現(xiàn)最大正彎矩；沿X軸分布，與邊跨頂板類似。整個(gè)中跨頂板彎矩M11的分布，呈現(xiàn)沿短對(duì)角線的“Z形”支撐。對(duì)于邊跨底板和中跨底板，M11的分布沿Z軸分布整體比較均勻，除支承處(8—8截面，9—9截面)數(shù)值有一些起伏；沿X軸的分布與傳統(tǒng)框架類似，在跨中有正彎矩極值，在支承處有負(fù)彎矩極值。邊跨底板最大正彎矩出現(xiàn)在跨中(7—7截面)橋長(zhǎng)兩端區(qū)域，最大負(fù)彎矩都出現(xiàn)在支承處(8—8截面)銳角區(qū)域。中跨底板最大正彎矩出現(xiàn)在跨中截面處(10—10截面)，沿橋長(zhǎng)方向均勻分布，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在支承處(9—9截面)銳角區(qū)域。斜交地道橋(交角60°)橋長(zhǎng)方向彎矩M22分布規(guī)律如下所示：對(duì)于邊跨頂板:沿Z軸分布，M22分布不均勻，橋長(zhǎng)中部彎矩大，兩頭??；沿X軸分布，與框架結(jié)構(gòu)類似，跨中及支承處出現(xiàn)極值。整個(gè)邊跨頂板最大正彎矩出現(xiàn)在2—2截面橋長(zhǎng)中部區(qū)域，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在3—3截面橋長(zhǎng)中部區(qū)域。對(duì)于中跨頂板：

沿Z軸分布不均勻，呈現(xiàn)橋長(zhǎng)中部的彎矩大，前后兩頭的?。谎豖軸分布，與框架結(jié)構(gòu)類似，跨中及支承處出現(xiàn)極值。整個(gè)中跨頂板最大正彎矩出現(xiàn)在跨中截面(5—5截面)橋長(zhǎng)中部區(qū)域，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在支承處(4—4截面)橋長(zhǎng)中部區(qū)域。對(duì)于邊跨底板：沿Z軸分布，橋長(zhǎng)中部彎矩大，向兩頭逐漸變??；沿X軸分布，跨中及支承處出現(xiàn)極值。整個(gè)邊跨底板最大正彎矩出現(xiàn)在跨中(7—7截面)橋長(zhǎng)中部區(qū)域，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在支承處(8—8截面)橋長(zhǎng)中部區(qū)域。對(duì)于中跨底板：沿Z軸整體分布均勻，除在支承處(9—9截面)和跨中處(10—10截面)有所起伏；沿X軸分布，跨中及支承處出現(xiàn)極值。整體中跨底板，正彎矩最大值出現(xiàn)在跨中橋長(zhǎng)中部區(qū)域，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在支承處橋長(zhǎng)中部區(qū)域。

斜交地道橋(交角60°)橋跨方向彎矩M12分布規(guī)律如下所示:對(duì)于邊跨頂板，角部的兩個(gè)銳角部位及一個(gè)鈍角部位，扭矩較大，另一個(gè)鈍角部位(在1—1截面)扭矩小。順橋長(zhǎng)方向，3—3截面處各單元扭矩整體大于其他部位，其最值在橋長(zhǎng)方向中部。對(duì)于中跨頂板，扭矩較大值出現(xiàn)在支承處(4—4截面)及中跨頂板的短對(duì)角線方向，呈“Z”形分布，遠(yuǎn)離“Z”形區(qū)域逐步變小，靠近鈍角和銳角部位區(qū)域扭矩較大，扭矩在“Z”形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處變號(hào)。對(duì)于邊跨底板和中跨底板，扭矩較大值分布呈不太明顯的“Z”形分布，扭矩在“Z”形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)區(qū)域變號(hào)，鈍角和銳角區(qū)域扭矩較大。

4 結(jié)語(yǔ)

1)三跨斜交地道橋中跨頂板M11呈明顯的“Z”形分布，鈍銳角區(qū)域及短對(duì)角線方向出現(xiàn)彎矩最值；邊跨的頂板、底板及中跨的底板在中墻處的鈍角和銳角區(qū)域彎矩出現(xiàn)較大值。M22沿橋跨分布規(guī)律與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)類似，不再贅述；扭矩M12在中跨頂板呈現(xiàn)明顯的“Z”形分布，在中墻處及短對(duì)角線方向出現(xiàn)大值；邊跨頂?shù)装逶谥袎μ幋嬖谳^大扭矩。

2)均布荷載作用下，地道橋中跨頂板M11隨著斜交角度的變小而變小，且隨著斜交角度的變小，沿短對(duì)角線傳遞的趨勢(shì)越發(fā)明顯，而中跨頂板M22隨斜交角度不同，基本沒有改變。各跨頂、底板的扭矩M12隨斜交角度的變小而變大，且隨著斜交角度的變小，其“Z”形分布越發(fā)明顯，扭矩大者主要集中在銳角和鈍角區(qū)域及短對(duì)角線方向。

3)根據(jù)板的配筋原理可知，橋跨方向配筋量主要取決于橋跨方向的彎矩M11及扭矩M12的大小，橋長(zhǎng)方向的配筋量主要取決于橋長(zhǎng)方向的彎矩M22及扭矩M12的大小。由上述分析可知，三跨正交地道橋扭矩較大值分布在頂?shù)装逅慕菂^(qū)域，故應(yīng)在四角區(qū)域加強(qiáng)配筋。

[1] 馮衛(wèi)星，王克麗.地道橋設(shè)計(jì)與施工[M].石家莊：河北科技技術(shù)出版社，2000.

[2] 何福保，沈亞鵬.板殼理論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1993.

[3] 劉 濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：35-194.

Inquiry on mechanical properties of three-span oblique-crossing bridge

Hai Chao

(NantongVocationalUniversity,Nantong226007,China)

The thesis establishes oblique-crossing bridge mechanical model by applying finite element software,carries out an analysis for a asset of three-span oblique-crossing tunnel bridge with skew angle of 80°,70°,and 60°.Through comparative research,it shows general stress performance of three-span oblique-crossing tunnel bridge,and some oblique-crossing tunnel bridge design suggestions.

tunnel bridge,ANSYS,mechanical properties,mechanical model

1009-6825(2016)29-0170-02

2016-08-09

海 潮(1978- )，男，碩士，講師

U441

A