整體式懸挑結構與巖土共同作用研究

劉晨光，周志祥，毛久群

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

20世紀90年代末期至今，我國高速道路的建設逐漸進入山區后，仍然側重于道路的功能因素(安全、迅速)，沿用傳統的以填挖方為主，節約工程造價的設計思想，依然不重視環境因素。因此道路的技術標準要求越高，對自然人文景觀、生態環境的破壞越嚴重，給子孫后代留下無窮的隱患。針對這種現狀，周志祥［1］、游濤，等［2］提出了一種不破壞生態環境、挖填方小、造價低、施工簡單，適用于不同地形地質條件下、又允許在施工的時候車輛正常通的道路拓寬結構——整體式懸挑結構(圖1、圖2)。該結構已成功地應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，整體式懸挑結構是由立柱、墻體、挑梁、搭板、縱梁及錨桿聯結一體共同作用的整體框架結構形式［3-4］，具有整體受力、協調變形的特點。該結構作為一種道路拓寬技術，是修建在原有山體上，立柱和墻體內側巖土將對結構的受力產生影響，為了保證設計的合理性，需要對結構與巖土的共同作用進行研究。

圖1 典型立面Fig.1 Typical elevation

圖2 典型斷面Fig.2 Typical sectional view

圖3 工程運用Fig.3 Engineering application

1 有限元分析

為了清楚認識結構與巖土在荷載下的性能［5］，建立該結構的有限元模型進行研究。

1.1 建立有限元模型

借助計算機利用數值方法求解，利用大型通用軟件ANSYS10.0對文中結構進行結構靜力分析［6］。采用Solid45單元模擬主體結構與土體，材料按照各自特性，主體結構彈性模量取3×104MPa，泊松比取0.25;土體彈性模量取 20 MPa，泊松比取 0.3。

施工時立柱嵌入巖體地基，與地基形成強大嵌固端，故可以將柱底考慮成固結，立柱四周預埋鋼筋，并通過后澆混凝土接頭與挑梁形成固結。在挑梁與縱梁交接處，挑梁預埋鋼筋通過縱梁后澆混凝土形成錨固點，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，在錨桿點考慮成鉸接［7］。挑梁長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

根據規范規定，選擇以下4種工況進行研究: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。

分別計算以上4種工況，得出工況1～工況3的結構變形圖相似，土體應力圖也相似(圖5)，工況4如圖6。

圖5 工況1～工況3結構變形和土體應力Fig.5 Structure deformation and soil stress under load condition 1，2，3

圖6 工況4結構變形和土體應力Fig.6 Structure deformation and soil stress under load condition 4

從圖5、圖6可以看出:

1)對于挑梁底面土體:當挑梁內側有荷載作用時，其產生土體反力，反力呈近似三角形分布(工況1～工況3)，無荷載時，產生拉力，此時可不考慮土體反力(工況4)。

2)對于立柱內側土體:在汽車荷載作用下，由于整個立柱側向變形很小，可以忽略，當挑梁內側有荷載作用時，土體被擠壓，無荷載時，其變形可以忽略。

2 簡化計算

根據以上有限元分析，可以根據結構受力情況將計算模型簡化分為以下兩種情況:

1)挑梁內側有荷載作用時，考慮挑梁底土體反力，呈三角形分布，內側土體為被動土壓力［8］，如圖7(a)。

2)挑梁內側無荷載作用時，不考慮挑梁底土體反力，立柱承受內側土體靜土壓力，如圖7(b)。

圖7 計算簡圖Fig.7 Simplified computation model

對于以上兩種情況，將錨桿固定端(1位置)、挑梁內側根部(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判斷是否有挑梁內側荷載;③有挑梁內側荷載按圖7(a)進行計算，無挑梁內側荷載按圖7(b)進行計算;④按力法［9］選擇未知量，求出各截面內力;⑤結束。

根據以上算法，用 visual c++［10］編織計算程序，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結構受力的影響，選取如圖5的最不利工況對結構加載，F=70 kN，采用筆者提出的程序進行分析。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位置截面的內力作為應變量。計算結果如圖9。

圖9 截面內力隨巖土地基變化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 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，R相對值從0.85減小到0.14。

3)隨著巖土彈性模量的增大，結構內力變化趨于平緩，可見一味增大巖土彈性模量，并不是經濟的。當彈模增大到一定時，對結構內力影響將很小。

4 結語

通過以上分析，可以得出以下結論:

1)簡化模型將立柱底假定為固結，為保證設計的合理性，在實際工程中保證立柱基底容許承載力應大于等于0.8 MPa;

2)利用有限元軟件，建立了結構實體有限元模型，較保守地對結構的整體工作性能進行研究，得出其結構與土體變形特點，將結構受力分成兩種情況簡化計算;

3)巖土對結構的受力性能總體來說是有利的，合理的巖土，能減小結構的內力，降低造價，實例分析證明，選用老填土和碎石土經濟是可行的。

［1］周志祥.一種用懸挑結構拓寬山區道路的方法:中國，200410044492.0［P］.2004-05-15.

［2］游濤，周志祥，鄭文.用邊坡格構基礎懸臂結構拓寬山區道路新技術［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，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-承臺共同作用的簡化分析方法［J］.巖土力學，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.高層建筑基礎分析與設計:土與結構物共同作用的理論與應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，1993.

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