水土壓力對框架地道橋受力及變形的影響

鄭遠彪， 鄒圻， 王利偉， 蔣海軍， 占玉林

(1.寧波市交通規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000； 2.西南交通大學； 3.青島市市政工程設計研究院有限責任公司)

1 前言

城市發(fā)展與城市交通建設相輔相成，當城市發(fā)展到一定程度，交通路網(wǎng)的合理交叉排布方式就顯得十分重要，特別是鐵路與公路線路交叉的設計。往常的平面交叉存在著將城市區(qū)域分割、容易造成擁堵以及引發(fā)惡性交通事故的風險，對于現(xiàn)代城市的發(fā)展來說十分不利，故此采用空間立體交叉的框架地道橋應運而生?？蚣艿氐罉蚓哂袆偠却蟆⒄w性好、變形小以及可靈活布置的特點，通過其頂部以及內(nèi)部空間提供通道的方式，將公鐵兩線分開，安全有效地解決了線路交叉的問題。

近年來，中國對框架地道橋的研究以覆土層厚度、截面形式、截面參數(shù)以及橋梁與線路的斜交角度對其結構受力性能、土體應力與位移的影響居多。而國外研究則以新材料的應用以及結構的動力特性為主。

框架地道橋在空間分布上具有優(yōu)勢，同時其受力與變形將受到周圍土體以及地下水位的影響，加之近年來氣候環(huán)境問題的惡化，應該對框架地道橋在水土壓力以及車道荷載等復雜工況共同作用下(圖1)的受力變形性能予以關注。該文以某實際工程為依托，通過大型通用有限元軟件Ansys建立實體模型，研究框架地道橋在不同地下水位高度，水土壓力及移動荷載共同作用下導致的結構受力與變形。

圖1 框架地道橋所面臨的復雜工況

2 模型建立

2.1 依托工程概況

某下穿隧道工程框架橋全長61.4 m，凈跨徑55 m，梁高7.32 m，加腋高0.7 m，梁橫向?qū)挾?8.5 m，橫斷面采用單箱雙室。箱內(nèi)為雙向四車道，梁體頂部覆土層厚度為2 m。全橋僅L/2處截面由于設置通道與全橋標準截面不一致，具體特征截面尺寸如圖2、3所示。

圖2 L/2截面尺寸(單位：mm)

圖3 標準截面尺寸(單位：mm)

2.2 主體結構模擬及荷載計算理論

該文采用大型通用有限元軟件Ansys建立三維實體模型對框架橋主體進行計算分析，混凝土采用Solid45單元進行模擬，預應力鋼筋則采用等效換算的節(jié)點荷載力進行模擬。

為模擬框架地道橋與土體的相互作用，通過Combin14單元配合Link10單元，設置基床系數(shù)以模擬土體的僅受壓特性。全橋共112 785個節(jié)點，95 336個單元。

采用水土分算的方式對水、土壓力進行計算，計算圖示如圖4所示。其中地下水位以上的土壓力按照正常計算方式，土壓力為：

Pt1=γH0K0

(1)

式中：γ為計算點以上土體的天然重度；H0為地下水位以上某點距地面深度；K0為側(cè)壓力系數(shù)。

圖4 水土壓力計算圖示

地下水位以下土壓力一方面需要考慮浮力導致土體有效重量減輕引起的土壓力減小，即考慮結構在地下水位以下的排水體積造成的浮力(換算后施加于結構地面)；另一方面，還要考慮地下水對結構的壓力影響。地下水位以下H2深度處土壓力為：

(2)

式中:γ′為土體的浮重度。

地下水造成的壓力為：

Pw=γwH2

(3)

故地下水位以下H2深度處水土壓力總和為：

(4)

式中：γw為地下水重度。

上述水、土壓力等梯形(三角形)分布荷載，均采用等效節(jié)點荷載形式添加。單元受如圖5所示的梯形分布荷載，兩端節(jié)點上的荷載集度分別為q1和q2，單元長度為l，α為兩坐標系之間的夾角(圖示逆時針轉(zhuǎn)角為正)。

圖5 梯形分布荷載轉(zhuǎn)化為等效結點荷載

梯形分布荷載在兩端節(jié)點上產(chǎn)生的在局部坐標系中的固端力為FF，即：

(5)

(6)

在局部坐標系中的單元等效節(jié)點荷載為FE=-FF，即：

(7)

由式FE=-TTFF(坐標轉(zhuǎn)換矩陣T同前)，可得結構坐標系中單元ij的等效節(jié)點荷載陣列FE，即：

(8)

2.3 荷載類型及工況

計算模型中共考慮4種工況：

(1) 結構自重G1。

(2) 二期恒載重G2，其中包括重度為23 kN/m3的17 cm厚箱內(nèi)路面鋪裝、重度為18 kN/m3的箱頂100 cm厚土層、重度為23 kN/m3的70 cm厚箱頂路面鋪裝以及200 kg/m的管線等附屬荷載。

(3) 為研究不同水深對結構的影響，該文采用水土分算，側(cè)向靜止土壓力G3，考慮土體摩擦角等系數(shù)后G3=0.34γ3h3，其中γ3為天然土體重度時取18 kN/m3，為浮重度時取11 kN/m3；水壓力G4取不同水深h4，計算結果G4=γ4h4，其中γ4為水重度，取9.8 kN/m3。

(4) 活載，包括箱內(nèi)雙向四車道城-A荷載Q1以及箱頂雙向六車道城-A荷載Q2。

除自重外的恒載、活載分布位置如圖6所示?；钶d的空間分布如圖7所示，有限元模型如圖8所示。

圖6 框架橋各類荷載分布圖示

圖7 車道活載的空間分布

圖8 有限元模型

3 計算結果分析

3.1 地下水位對截面正應力分布的影響

不同地下水深度對截面正應力分布的影響規(guī)律如圖9所示。選取L/2截面、L/4截面以及與L/4位置對稱的3L/4截面腹板處各節(jié)點(圖10)，查看其在不同水位下的正應力分布情況，由于該文中結構及所施加荷載在橋跨方向具有高度對稱性，針對L/4位置以及3L/4位置，僅展示L/4位置數(shù)據(jù)用作分析。

圖9 截面選取示意

圖10 腹板節(jié)點分布

圖11為不同水深下L/2截面正應力分布，圖12為不同水深間腹板正應力差值。

圖11 水深對跨中截面腹板正應力分布的影響

圖12 不同水深間腹板正應力分布的差值

由圖11、12可以看出：截面的正應力分布隨水深變化較小，正應力差值最大僅為0.17 MPa。此外，受梁高影響，截面的正應力分布不滿足平截面假定。同樣地，圖13為不同水深下L/4截面正應力分布，圖14為不同水深間腹板正應力差值。

圖13 水深對L/4截面腹板正應力分布的影響

由圖13、14可以看出：L/4截面的正應力分布規(guī)律與L/2處基本一致，截面正應力分布不滿足平截面假定且不同工況下正應力差值僅為0.15 MPa。

由于不同工況下截面正應力分布規(guī)律一致且差異較小，圖15為截面正應力沿截面周邊的典型分布模式。

圖14 不同水深間腹板正應力分布的差值

由圖15可以看出：L/2截面與L/4截面正應力分布規(guī)律基本一致，在腹板范圍內(nèi)差異極?。徽龖Ψ植純H在頂、底板中部存在不同，主要原因為跨中截面中腹板存在開孔，導致其頂、底板應力分布不受剛度突變影響，較為平緩。

圖15 復雜荷載作用下典型截面的正應力分布

3.2 地下水位對結構變形的影響

為進一步探明地下水位對框架地道橋受力、變形的影響，圖16為典型截面腹板在不同地下水位下側(cè)向變形的規(guī)律。圖17為變形前后的截面。

圖16 不同水位下典型截面腹板側(cè)向位移分布

由圖16、17可以看出：相同地下水深下，腹板側(cè)向變形較為接近，最大差距不超過0.3 mm；當?shù)叵滤怀^1/2截面高度后，截面變形明顯增大，最大增幅約為75%；在土體僅受壓的邊界條件影響下，腹板的側(cè)向變形規(guī)律與懸臂梁類似。

圖17 框架截面變形前后

圖18為不同工況下梁底、中、頂位置側(cè)向變形沿跨徑的分布情況。

圖18 不同工況下截面?zhèn)认蜃冃窝亓洪L的分布

由圖18可以看出：梁底、中、頂位置側(cè)向變形規(guī)律與腹板變形規(guī)律可以一一對應，且梁段兩端、梁段中部，由于邊界條件約束較弱或截面開孔洞削弱，導致地道橋截面的框架效應減弱，側(cè)向變形大于其他部位。

4 結論

(1) 框架地道橋正應力分布受水土壓力影響較小，截面正應力分布受加腋設置、截面孔洞影響明顯。

(2) 同一截面處，由于土體僅受壓并且與地下水共同作用，截面的側(cè)向變形受地下水位高度影響明顯。

(3) 截面的應力分布受框架加腋、截面中腹板開孔洞影響明顯，且梁高較高情況下截面不滿足平截面假定，因此需要對加腋附近混凝土應力予以關注。

(4) 截面的側(cè)向變形受梁段端部土體約束、截面中腹板開孔洞影響明顯，截面框架效應受到影響，建議對這些位置的截面變形、防滲問題予以關注。