空心型箱型框架橋力學特性有限元分析

歐陽章智，王東權，于廣云，岳 娜

(中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221008)

箱型框架橋［1］是一種公路下穿式的公路與鐵路立交橋，其主體結構為箱型框架，這種結構的主要優點是結構整體性好，剛度大，抗變形能力強，基底應力小，適合于地基承載力低、不均勻沉降大的地質條件。因此，常用于城市道路或公路與鐵路的立交橋梁、礦區抗采動變形橋梁。

箱型框架橋混凝土和鋼筋的用量過多，設計偏于安全，在整個箱型框架橋中的材料利用率比較低。目前，國內學者對箱型框架橋結構合理形式研究很少，鑒于此，本文首次提出空心型箱型框架橋，借鑒空心板橋的挖空形式，箱體頂板和側板做成空心大板，底板做成實心大板，一方面能有效地減小實心橋體截面面積，提高其抗彎截面系數與橫截面積的比值，使結構更具合理性、經濟性;另一方面能有效地減小基底附加應力，保證其地基承載力的要求。基于有限元軟件ANSYS，通過建立三維模型，在橋體與墊層、側向土體、變形縫之間設置接觸來模擬其共同作用，對兩種箱型框架橋結構，用數值模擬研究方法在正常使用階段的力學狀態進行對比研究，得出橋體結構和周圍土體的位移和最大主應力及位置，為空心型箱型框架橋的設計提供有效的依據。

1 有限元計算模型的建立

1.1 基本假設

1)框架橋箱體結構是與土介質形成一個連續或不連續的整體，兩者之間存在相互作用［2］。

2)箱型框架橋采用的是鋼筋混凝土結構，考慮到橋體布筋的規律性，采用力學性能等效方法將之簡化為素混凝土。

3)主要考慮結構自重和列車荷載。列車活載采用“中—活載”，考慮動力系數，換算成均布荷載滿布在橋面上。

1.2 計算參數

本模型材料計算參數見表1。

表1 計算參數

變形縫在計算中采用剛度弱化技術進行處理，即采用彈性模量與混凝土彈性模量之比為2個數量級的柔性材料充填變形縫。

1.3 計算模型

箱型框架橋數值模擬選用二個并列箱體，在箱體之間設置一道0.1 m厚的變形縫，橋體與土體之間設置一層0.5 m厚的砂墊層，單個箱體跨度、寬度和高度尺寸分別為10 m、10 m、8 m，頂板厚度取箱體跨度的1/10，底板厚度比頂板厚0.2 m。底板橋側土體長度取整橋跨的3倍，橋下土體高度取橋高的5倍。空心型箱型框架橋挖空半徑為0.3 m，頂板9個孔，側板6個孔，計算模型見圖1～圖3。

圖1 模型網格劃分

圖2 原型框架橋模型

圖3 空心型框架橋模型

2 計算結果與分析

本文采用分步求解，先導出初應力，再將其導入的方法。在考慮重力作用的情況下，可以保證所建模型的尺寸和初始應力狀態與實際情況相符。

2.1 兩種結構形式和土體位移場分布對比分析

本文取兩種箱型框架橋結構和土體豎向位移為研究對象。兩種箱型框架橋左右箱體豎向位移變化規律一致，并且具有對稱性，在此取變化較大的左箱體進行研究。見圖4～圖7和表2。

1)從圖4～圖7可以看出，土體的豎向位移隨深度愈向下愈小;空心型橋體周圍土體的豎向位移比原型位移小。可見，適當地減輕橋體的自重可降低土體沉降。

圖4 原型框架橋周圍土體豎向位移分布

圖5 空心型框架橋周圍土體豎向位移分布

圖6 左箱涵頂板豎向位移曲線

圖7 左箱涵底板豎向位移曲線

2)從表2可知，在橋體自重和列車荷載作用下，兩種橋體豎向位移變化規律一致，左箱體頂(底)板豎向最大位移都發生在最右側頂(底)板位置處，左箱體頂板豎向位移差值比底板豎向位移差值大0.02 cm左右;適當地減輕橋體的自重可降低頂板和底板的最大豎向位移。

表2 左箱體頂、底板豎向位移值cm

2.2 兩種結構形式和土體應力場分布對比分析

本文選取兩種箱型框架橋和土體的第一主應力分布圖為研究對象。兩種箱型框架橋左右箱體應力變化規律一致，并且具有對稱性，在此取變化較大的左箱體進行研究。見圖8～圖13和表3、表4。

圖8 原型框架橋周圍土體第一主應力分布

表3 左箱體基底附加應力最大值 kPa

表4 橋體主拉應力最大值 MPa

1)從圖8和圖9可以看出，在橋體自重和列車荷載作用下，地基附加應力呈擴散分布;且由于橋體自重減輕，空心型橋體對地基作用所產生的附加應力值比原型橋體要小。

2)從表3可知，空心型橋體左箱體基底附加應力最大值比原型約減小13%。

3)結合圖10、圖11與表4，原型橋體最大主拉應力發生在左箱體底板內側在跨中到左側板之間，約為1.87 MPa;空心型橋體最大主拉應力發生在左箱體頂板左側第二個孔上，約為2.25 MPa，空心型橋體最大主拉應力比原型約增大20%，最大主拉應力都在結構等效最大拉應力范圍內。

圖9 空心型框架橋周圍土體第一主應力分布

圖10 原型框架橋第一主應力分布

圖11 空心型框架橋第一主應力分布

4)從圖12可知，兩種橋體第一主應力變化規律相似，空心型橋體挖孔處應力的變化幅度比較大。左箱體頂板內側在跨中到右側板之間存在較大的拉應力，左箱體底板內側在跨中到左側板之間存在較大的拉應力。

5)從圖13可知，兩種橋體第一主應力變化規律相似，空心型橋體挖孔處的應力變化幅度比較大。橋體左箱體兩側板的內側存在拉壓狀態，受力比較小;橋體左箱體左側板外表面全處于受拉狀態;在橋體左箱體右側板外表面大部分處于受拉狀態，在豎直方向-2～-3 m之間存在壓應力。

圖12 原型框架橋與空心型框架橋頂板、底板第一主應力曲線

圖13 原型框架橋與空心型框架橋左側板、右側板第一主應力曲線

3 結論

通過ANSYS有限元軟件，在橋體自重和火車荷載作用下，分析得到兩種箱型框架橋結構和土體的位移、應力場分布規律。本文得到以下幾個結論:

1)適當減輕橋體的自重可降低橋體周圍土體沉降。

2)兩種橋體豎向位移變化規律一致，左箱體頂(底)板豎向最大位移都發生在最右側頂(底)板位置處，適當減輕橋體的自重可降低頂板和底板的最大豎向位移。

3)空心型橋體對地基作用所產生的附加應力值比原型橋體要小。

4)原型橋體最大主拉應力發生在左箱體底板內側在跨中到左側板之間，空心型橋體最大主拉應力發生在左箱體頂板左側第二個孔上，最大主拉應力都在結構等效最大拉應力范圍內。可見，空心型橋體的結構形式是合理的。此外，在設計空心型箱型框架橋時，應該注意到橋體挖空處應力變化幅度比較大。

［1］馮衛星，王克麗.地道橋設計與施工［M］.石家莊:河北科技出版社，2000.

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［4］楊功勤.地道橋結構靜力與動力特性的分析［J］.工程建設與設計，2002(6):10-12.

［5］郝文化.ANSYS土木工程應用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［6］楊洋，于廣云，柏永生，等.采動對鐵路橋和地表土的影響研究［J］.鐵道建筑，2008(11):57-59.