地道橋U型槽結(jié)構(gòu)受力分析及設(shè)計研究

鞠炳照　賈曉嬋

摘要 沭陽縣城區(qū)快速路二期工程中，松江路下穿北京南路需采用地道橋。文章以此工程為背景，對地道橋結(jié)構(gòu)的下穿U型槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析。分析過程中，明確了結(jié)構(gòu)計算時的邊界條件、汽車荷載及水平土壓力取值方式。研究結(jié)果表明，在預(yù)設(shè)的邊界條件及荷載作用下，U型槽結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、裂縫及變形滿足設(shè)計要求。整個分析過程可為類似的工程設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞 U型槽結(jié)構(gòu);邊界條件;汽車荷載;水平土壓力;強(qiáng)度;裂縫;變形

中圖分類號 U448 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0102-03

引言

隨著社會的發(fā)展，城市人口及車輛數(shù)量呈現(xiàn)遞增式增長，城市擁堵現(xiàn)象愈演愈烈，尤其出現(xiàn)在交通量較大的平面交叉位置。為改善出行條件，城市交通建設(shè)中更多的選用立體交叉方式，以提高交叉口的通行能力。下穿式立體交叉（即地道橋）因占地較少，施工工藝簡便，被大量應(yīng)用于道路與道路交叉、道路與鐵路交叉。

規(guī)劃地下快速路交通應(yīng)具有前瞻性，地下快速路對改善交通擁擠狀況、升級城市地下物流系統(tǒng)的發(fā)展、改善城市環(huán)境具有深遠(yuǎn)而重要的意義。

1 現(xiàn)實(shí)意義

（1）地下快速路建設(shè)費(fèi)用相對較低。地下快速路因為較少的節(jié)點(diǎn)設(shè)計建造，無須花費(fèi)較大費(fèi)用維護(hù)復(fù)雜的信號控制系統(tǒng)，相比地鐵更具有優(yōu)勢。工程建造過程中，將環(huán)境進(jìn)行貨幣化，即污染造成的損失加入總體造價中，整體造價較為合理。地下快速路建設(shè)應(yīng)當(dāng)早研究早規(guī)劃，堅持長期建設(shè)，只有達(dá)到相當(dāng)規(guī)模才會顯現(xiàn)巨大的社會價值及生態(tài)價值。

（2）加快建設(shè)地下快速路系統(tǒng)，升級城市交通運(yùn)輸方式，將城市貨運(yùn)逐步轉(zhuǎn)移至地下運(yùn)輸，可有效改善交通擁堵狀況。根據(jù)城市發(fā)展規(guī)則，貨運(yùn)占城市交通總量比直接與城市的發(fā)展水平呈正相關(guān)。地下快速路建設(shè)可有效推進(jìn)地下物流系統(tǒng)的發(fā)展，增強(qiáng)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展活力。

（3）地下快速路系統(tǒng)工程與軌道交通及市政工程建設(shè)相結(jié)合，一體化設(shè)計、一體化施工，以節(jié)省投資和縮短施工周期。交通建設(shè)過程中，土方挖填及運(yùn)輸以及管線臨時遷移等，都涉及較大的建設(shè)費(fèi)用。將地下快速路系統(tǒng)同地下軌道交通結(jié)合，可大幅度降低成本。

雖然目前多關(guān)注于各種結(jié)構(gòu)類型橋梁的建設(shè)，但應(yīng)該看到，地道橋以其更為經(jīng)濟(jì)的造價，足可比肩跨線橋梁的使用功能服務(wù)于社會。相比于跨線橋梁，地道橋因埋于地下，減少對車輛及行人的視線阻隔，降低了城市空間的擁擠度，因此地道橋應(yīng)用前景十分廣闊。

該文針對地道橋結(jié)構(gòu)中的U型槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。U型槽結(jié)構(gòu)類似于擋土墻結(jié)構(gòu)，但由于底板結(jié)構(gòu)的存在，受力更為復(fù)雜。針對土的不同特性，應(yīng)采用不同的方式模擬土壓力以及結(jié)構(gòu)的邊界條件。

2 工程概況

沭陽縣城區(qū)快速路二期工程松江路下穿北京南路設(shè)置一座地道橋，全長659 m，敞開段為整體U型槽結(jié)構(gòu)，暗埋段為單箱雙室箱體結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面凈寬為2×14 m。地道橋內(nèi)采用雙向6車道，保證主路車輛快速通過，兩側(cè)各設(shè)置單向雙車道輔路，達(dá)到松江路與北京南路地面平交的目的，該文著重研究地道橋U型槽結(jié)構(gòu)。U型槽段按照25 m節(jié)段設(shè)計，內(nèi)外面垂直設(shè)置，縱斷最低點(diǎn)位置，側(cè)墻凈高8.0 m，側(cè)墻及底板厚度1.2 m。

3 結(jié)構(gòu)計算

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

3.1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市快速路。

（2）設(shè)計車速：80 km/h。

（3）設(shè)計荷載：汽車荷載為城-A級。

（4）設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

（5）結(jié)構(gòu)安全等級：一級。

3.1.2 主要設(shè)計荷載

（1）自重。按照混凝土容重25 kN/m3進(jìn)行自重分析。U型槽內(nèi)鋪裝結(jié)構(gòu)等采用荷載形式計入。

（2）汽車效應(yīng)。地道橋內(nèi)主路采用城-A車道荷載，6車道。

地道橋外輔路引起的土壓力按照車輛荷載加載，可按下式換算成等代土厚h（m）計算[1]：

式中：γ——土的重度（kN/m3）;

ΣG——布置在B×l0面積內(nèi)的車輪總的重力（kN）;

l0——側(cè)墻后填土的破壞棱體長度（m）;

B——側(cè)墻的計算長度。

側(cè)墻的計算長度B（m）按下式計算，但不應(yīng)超過分段長度（25 m）：

式中：H——側(cè)墻高度。

（3）側(cè)向土壓力作用。主動土壓力、被動土壓力可采用庫侖或朗肯土壓力理論計算。作用于側(cè)墻的土壓力和水壓力，對砂性土宜按照水土分算計算;對黏性土宜按照水土合算計算。根據(jù)地勘信息，工程范圍內(nèi)地質(zhì)以黏性土為主，故采用水土合算方式。針對靜止土壓力、主動土壓力及被動土壓力的選擇，可參考圖1[2]。

（a）靜止土壓力 （b）主動土壓力 （c）被動土壓力

因底板水平支撐作用，側(cè)墻不產(chǎn)生水平位移，U型槽結(jié)構(gòu)可參考圖1（a），采用靜止土壓力。根據(jù)地勘報告知，土的內(nèi)摩擦角α=16°，則有K0=1?sinα=0.724。

（4）溫度荷載。初始溫度15 ℃，體系按升溫25 ℃，體系降溫?25 ℃。

3.2 計算模型

地道橋整體計算采用Midas Civil有限元軟件，采用板殼單元，側(cè)墻與底板采用固接方式?？紤]地道橋結(jié)構(gòu)的側(cè)向土壓力作用及鋪裝，采用面荷載加載。汽車荷載采用車道荷載計算方式?？紤]溫度作用。

模型邊界條件處理：按照彈性地基梁設(shè)計，根據(jù)文科勒假設(shè)：地基上任一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度p與該點(diǎn)的地基沉降量s成正比，p=ks，式中：k稱為基床反力系數(shù)，簡稱基床系數(shù)。顧曉魯?shù)戎骶幍摹兜鼗c基礎(chǔ)》（第三版）[3]，基床系數(shù)取值見表1。

實(shí)際工程經(jīng)驗分析知，砂土、黏性土的彈性模量遠(yuǎn)小于混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量[4]。圖2以地道橋U型槽結(jié)構(gòu)為例，選取了荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，不同基床系數(shù)（104～

107 kN/m3）土質(zhì)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響[5]。分析圖表知：

（1）基床系數(shù)取值在（104～105 kN/m3）范圍內(nèi)時，結(jié)構(gòu)內(nèi)力均勻變化。

（2）基床系數(shù)取值在（106～107 kN/m3）范圍內(nèi)時，結(jié)構(gòu)內(nèi)力在L/8處產(chǎn)生突變，且內(nèi)力值在L/8～L/2范圍內(nèi)變化較小，說明此時土彈簧剛度過大，底板變形受影響較大，此時，不建議采用彈性地基梁法。

綜上所述，在仿真模擬過程中，針對黏土、粉土及砂土等，基床系數(shù)取值在104～105 kN/m3范圍內(nèi)的，可采用彈性地基梁法，計算精度滿足要求。

因側(cè)墻較高，出于節(jié)省材料且充分發(fā)揮材料作用的目的，結(jié)構(gòu)采用階梯式，側(cè)墻深度小于或等于3.0 m時，側(cè)墻厚度采用0.5 m，側(cè)墻深度大于3.0 m時，側(cè)墻厚度采用1.2 m。

4 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析過程中，后期構(gòu)建驗算時，應(yīng)注意區(qū)分側(cè)墻與底板構(gòu)件的構(gòu)件屬性，以驗證兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同受力特性[6]。側(cè)墻構(gòu)件以受彎為主，可簡化為純受彎構(gòu)件，承載能力極限狀態(tài)驗算按照《公路鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力》（JTG 3362—2018）（以下簡稱《公預(yù)規(guī)》）中5.5.2～5.5.4計算;側(cè)墻根部由于水平土壓力存在，同時需要進(jìn)行抗剪承載力極限狀態(tài)驗算。底板構(gòu)件除受彎外，同時受到側(cè)向土壓力引起的軸向力，故以壓、彎為主，可簡化為偏心受壓構(gòu)件，承載能力極限狀態(tài)驗算按照《公預(yù)規(guī)》5.3.4、5.3.6計算。

正常使用狀態(tài)驗算時，計算由作用頻遇組合引起的開裂截面縱向受拉鋼筋的應(yīng)力σss時，側(cè)墻（純受彎構(gòu)件）按《公預(yù)規(guī)》式6.4.4-2計算;底板（偏壓構(gòu)件）按《公預(yù)規(guī)》式6.4.4-4～6.4.4-8計算。同時，側(cè)墻應(yīng)視為大懸臂結(jié)構(gòu)，需驗算側(cè)墻頂部的撓度值，可依照《公預(yù)規(guī)》第6.5.2條進(jìn)行計算。

由于側(cè)墻的存在，結(jié)構(gòu)受力主要以橫向水平土壓力引起的彎壓為主，此時，主筋受力方向為橫橋向，隨著側(cè)墻高度降低，橫向水平土壓力降低，故主筋受力方向逐漸由單向受力轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受力，建議U型槽與道路接駁處鋼筋按照雙向受力板配筋設(shè)計。

選取松江路下穿北京南路地道橋為例，通過對U型槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析（如圖3），可知在荷載組合作用下，側(cè)墻受力最不利位置位于側(cè)墻根部，底板受力最不利位置位于底板兩側(cè)及跨中車行道位置。

4.1 承載能力極限狀態(tài)結(jié)果分析

在基本組合作用下，進(jìn)行正截面抗彎承載力驗算時，側(cè)墻根部設(shè)計內(nèi)力值為Mmax=2 228.9 kN·m（抗力為

3 223 kN·m），Mmin=452.6 kN·m（抗力為3 223 kN·m）;進(jìn)行偏心受壓承載力驗算時，底板兩側(cè)設(shè)計內(nèi)力值為Mmax=2 055.3 kN·m（抗力為2 800 kN·m），Mmin=407.6 kN·m

（抗力為2 800 kN·m），底板跨中車行道位置Mmax=

355.5 kN·m（抗力為1 438.9 kN·m），Mmin=205.9 kN·m

（抗力為1 438.9 kN·m）。

在基本組合作用下，進(jìn)行斜截面抗剪驗算時，側(cè)墻根部受的最大剪力設(shè)計值為Vmax=719.2 kN（抗力為1 684.3 kN）。根據(jù)以上結(jié)果推論，U型槽結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)驗算通過。

4.2 正常使用極限狀態(tài)結(jié)果分析

在頻遇組合作用下，進(jìn)行使用階段裂縫寬度驗算時，得到側(cè)墻根部最大裂縫0.144 mm，底板兩側(cè)位置最大裂縫0.163 mm。沭陽當(dāng)?shù)貙儆冖蝾?凍融環(huán)境，鋼筋混凝土裂縫限值為0.2 mm。

在頻遇組合作用下，側(cè)墻結(jié)構(gòu)端部最大水平位移值為16.4 mm，不超過規(guī)范中規(guī)定的最大限值H/300（H為側(cè)墻高度）。根據(jù)以上結(jié)果推論，U型槽結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)驗算通過。

5 結(jié)論

（1）進(jìn)行U型槽計算時，應(yīng)采用靜止土壓力計算水平土壓力值，部分U型槽還需考慮結(jié)構(gòu)外輔路上汽車荷載作用，此時汽車荷載為車輛荷載?；蚕禂?shù)取值在104～105 kN/m3）范圍內(nèi)的，可采用彈性地基梁法。

（2）通過對U型槽結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析知，U型槽結(jié)構(gòu)側(cè)墻根部以及底板兩側(cè)為受力最不利截面。在承載能力極限狀態(tài)下，兩者的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求;在正常使用極限狀態(tài)下，兩者的抗裂性滿足規(guī)范要求。同時，在正常使用極限狀態(tài)下，側(cè)墻頂?shù)淖冃瓮瑯訚M足規(guī)范要求。

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收稿日期：2022-01-13

作者簡介：鞠炳照（1990—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁與隧道工程。